雙原子電催化劑理性設計與構筑研究獲進展

　　近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員章福祥、肖建平團隊，在雙原子電催化劑（DACs）理性設計與構筑方面取得進展。團隊基于具有優異導電性和水穩定性的金屬有機框架材料（cMOF），通過對銅-鎳雙原子活性中心的精準調控，實現了在工業級電流密度下，接近100%選擇性地高效合成氨，揭示了硝酸根電還原合成氨過程中的協同“接力催化”機制。

　　雙原子催化劑憑借雙金屬活性位點間的協同作用，可有效突破單原子催化劑在多電子反應中的性能瓶頸。然而，DACs在結構均一化、位點精確控制，以及電子結構調節方面仍存在挑戰。針對這一難題，研究團隊以結構明確、水穩定且導電性能優異的MOF為模型平臺，提出并驗證了在導電MOF中，實現雙原子位點精確構筑與調控的理性設計策略，為發展高效、可擴展的電催化體系提供了新思路。

　　團隊合成了一系列CuxNiy-DBCO導電MOF，通過系統調節銅/鎳比例，實現了對硝酸根電還原制氨（NO3RR）活性和選擇性的精準優化。研究發現，NO3-→NO2?（R1）和NO3-→NH3（R2）兩個關鍵反應步驟的相對速率，決定了整體合成氨性能。其中，位點明確、結構均一的Cu98.5Ni1.5-DBCO催化劑實現了100%氨選擇性、98.5%法拉第效率，以及200.7mgh-1mgcat-1的高產氨速率。

　　原位光譜表征與密度泛函理論計算揭示，銅位點優先還原硝酸根生成亞硝酸根中間體（NO2-），鎳位點可將殘余的NO2-轉化為NH3，兩者形成協同“接力催化”路徑，實現高效且選擇性突出的NO3-→NH3轉化過程。基于該高性能催化劑，研究團隊進一步構筑了可充電Zn–NO3-電池，實現了35.6mWcm-2的領先功率密度與優異的同步產氨性能，展示了導電MOF在可再生能源轉化與儲能領域的應用潛力。

　　太陽能光催化技術，是實現太陽能至化學能轉化的重要方式之一，助催化劑的開發是實現高效光化學轉化的重要一環。近年來，團隊致力于設計合成具有單原子分散的電催化新材料，圍繞水氧化、水還原、氧還原、甲烷轉化、合成氨及二氧化碳還原等典型反應，開發了系列高性能新材料，有望作為助催化劑構筑高效的太陽能光化學轉化體系。

　　相關研究成果發表在《美國化學會志》上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等的支持。