NH3是一种重要的化学品，目前工业上普遍采用Haber–Bosch法将空气中的游离氮转化为化合态氮（NH3），然而这一过程需要在高温高压下进行，能耗高，并且产生大量的温室气体。电化学固氮是合成氨的一种新途径，能够在常温常压下实现氮气的还原，因此引起了广泛关注。然而，目前关于电化学固氮机理的研究并不全面，存在局限性。例如，根据现有的反应机理，由于N2吸附强度弱，导致N2活化不充分，因此贵金属催化剂（Au、Pd等）表面N2的电化学还原需要很高的还原电位来驱动。然而，一系列实验报道表明，Au、Pd等催化剂能够在极低的还原电位下催化N2的电化学还原，从而导致理论与实验之间存在显著的差异。
近日，东南大学王金兰教授（点击查看介绍）课题组提出一种全新的电化学固氮机理——表面氢化机理。理论计算结果表明，不同于常规机理中反应的第一步是N2的吸附与活化，在表面氢化机理中，H+的还原是反应的第一步，从而形成表面氢化。而在表面*H原子与催化剂的协同作用下，N2能够与表面*H原子反应生成*N2H2中间体，并最终被还原为NH3。整个反应过程中，表面氢化是电位决定步，而N2与*H原子反应生成*N2H2是速度决定步。此外，竞争反应（析氢反应）的势垒显著低于固氮反应，因此析氢反应的速率要远远高于固氮反应。该反应机理不仅能够很好的描述贵金属催化剂表面的电化学固氮过程，同时也适用于其他催化剂。
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是凌崇益博士，王金兰教授为通讯作者。
以上工作受到国家杰出青年基金、国家重点研发计划、博士后科学基金等项目的资助。
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New Mechanism for N2 Reduction: The Essential Role of Surface Hydrogenation
Chongyi Ling, Yehui Zhang, Qiang Li, Xiaowan Bai, Li Shi, Jinlan Wang*
J Am Chem Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b09232
导师介绍
王金兰
https://www.x-mol.com/university/faculty/31094
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