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科研动态

苏忠民教授研究团队J. Mater. Chem. A:二维导电钼基共价有机骨架催化剂用于固氮反应

发布时间:2020-11-16   访问人数:

电催化氮还原(NRR)因其温和的反应条件和CO2零排放的独特优势被认为是一种简单、绿色、可持续的氨生产策略。近几十年来,科研人员广泛研究了各种各样的NRR电催化剂。然而,由于N2分子固有的热稳定性以及伴随竞争的析氢反应(HER),电催化NRR通常面临诸如反应活性低和选择性差等缺点,远远不能满足实际应用的需要。最近,二维共价有机骨架(2D-COFs)的新型能源应用引起了科研人员的广泛关注,成为了电催化领域的新前沿材料之一。

2D-COFs作为潜在的能源材料可归因于以下几点:(i)质量相似条件下可提供更多暴露的比表面积、丰富的活性位点、更高的材料强度密度;(ii)高孔隙率有益于底物/产物的扩散,可以加快催化反应速率;(iii)完全π共轭的2D网络结构可以形成优秀的导电通道,有利于提高电导率同时加快电荷传输;(iv)作为载体为嵌入的金属提供各种类型的键合结构,从而发挥出优秀的催化活性。然而,2D-COFs作为NRR电催化剂很少被探究。

近日,东北师范大学苏忠民教授、张珉副教授合作近期报道的二维本征导电Ni基和Co基共价有机骨架的实验合成启发下,根据密度泛函理论(DFT)计算,研究了一系列稳定的2D 导电TM基共价有机骨架(TM-COFs, TM = Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, W, Ir, Pt, Au)N2还原反应的电催化性能,这些COFs2,3,9,10,16,17,23,24-八胺基金属酞菁与芘-4,5,9,10-四酮的彼此键连而成。计算结果表明,导电的2D-Mo-COF20种备选催化剂中具有最高的NRR电催化性能,其过电位为0.16 V,并能够有效地抑制竞争性的HER2D-Mo-COF优异的NRR活性和选择性源于其固有的优势,包括:良好的导电性、Mo原子显著的正电荷和较大的自旋磁矩,以及对NRR反应过程物种的适当吸附强度。

这项工作将促进2D-COFNNR领域更多的实验研究,以发现更高活性的COF基催化剂,促进未来的NH3绿色可持续生产。

该工作的第一作者为化学学院2018级博士研究生王聪。

文章链接:

Cong Wang, Ying-Nan Zhao, Chang-Yan Zhu, Min Zhang, Yun Geng, Yang-Guang Li, Zhong-Min Su. A two-dimensional conductive Mo-based covalent organic framework as an efficient electrocatalyst for nitrogen fixation. J. Mater. Chem. A 2020. DOI:10.1039/D0TA08676B

https://doi.org/10.1039/D0TA08676B