氨是最广泛的工业化学品之一，在化肥和其它化学品生产中具有重要作用。全球产量约为每年1.7亿吨，主要通过哈伯-博施工艺实现规模化生产。然而该反应必须在高温高压条件下进行，年均消耗1％全球能源，并排放超过4.5亿吨二氧化碳，造成严重的能耗和污染。因此解决哈伯-博施工艺所带来的高能耗和温室气体排放等问题，开发生态友好和能源依赖性较低的方法作为合成氨替代工艺已迫在眉睫。近年来，常温常压下水相电催化氮还原提供了一种可能的方案。但由于产氢竞争反应激烈，以及氮气固有的溶解度低、氮氮三键难以活化等属性使水相电催化氮还原进入发展瓶颈。非水相锂介质氮还原作为一种新的产氨策略，可以通过锂在非水溶剂中氧化还原循环，实现高效氮气的活化和氨的产生。然而非水相锂介质氮还原目前仍面临着锂作用机理模糊和催化材料设计策略匮乏等问题，阻碍非水相氮还原的发展。
为解决这一世界性难题，近日 南京大学邹志刚/姚颖方团队首次发现 非水相氮还原过程中的多米诺效应：即一旦完成第一步锂离子还原，整个氮还原反应将如推倒的多米诺骨牌一般，自发完成后续氮气固定和还原。 并首次提出锂还原催化机制，大幅度提高非水相氮还原动力学过程。
南京大学团队利用原位X射线衍射技术监测锂介质氮还原过程，发现了氮还原中锂中间产物的变化，验证了锂离子还原是锂介质氮还原反应的关键步骤。另外，研究者以碳纸担载金纳米颗粒作为模型电极材料，发现金纳米颗粒可充当锂离子还原的电催化材料。计算和实验结果都表明，金与锂有更高的电子亲和力，有效降低了锂离子还原的电子转移势垒。而碳作为一种典型的锂电化学插层材料，表现出更高的电子转移势垒，限制了锂还原动力学。该研究结果表明锂离子还原电催化剂对氮还原电极材料的设计至关重要，为电催化氮还原的研究提供了全新的思路。
Domino effect: gold electrocatalyzing lithium reduction to thrust nitrogen fixation
Lin-Feng Gao, Yuan Cao, Cheng Wang, Xi-Wen Yu, Wen-Bo Li, Yong Zhou, Bing Wang, Yingfang Yao, Cong-Ping Wu, Wen-Jun Luo, Zhi-Gang Zou
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202015496
导师介绍
邹志刚
https://www.x-mol.com/university/faculty/63441
姚颖方
https://www.x-mol.com/university/faculty/63431
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