氨是世界上最重要的基礎(chǔ)化學(xué)品之一，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。然而，傳統(tǒng)的合成氨工藝(哈伯-博施工藝)需要在高溫高壓下進(jìn)行反應(yīng)，這導(dǎo)致了高能耗和大量溫室氣體的排放。電催化氨合成技術(shù)可以在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)氨合成，是目前公認(rèn)的綠色、節(jié)能、高效的碳減排技術(shù)。其中，設(shè)計(jì)和制備高活性、高穩(wěn)定性的電催化劑是該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。近日，南京工業(yè)大學(xué)研究組證明，新型單原子催化劑“Mo單原子負(fù)載二維磷化硼催化劑”(Mo/BP)是一種很有前途的電化學(xué)氨合成催化劑，有望大幅提高氨的產(chǎn)率，減少物質(zhì)能量的浪費(fèi)。這一成果日前發(fā)表在《能源與環(huán)境材料》上。

目前，在全球低碳經(jīng)濟(jì)和中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略理念的影響下，開發(fā)一種新的綠色合成氨技術(shù)來替代傳統(tǒng)的Haber-Bosch工藝是研究熱點(diǎn)之一。其中，電催化還原氮?dú)夂铣砂奔夹g(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如可以利用大氣中的氮?dú)庾鳛榈?，水作為氫源，反?yīng)原料來源廣泛，反應(yīng)條件溫和，有望實(shí)現(xiàn)分布式綠色合成氨生產(chǎn)等。是公認(rèn)的綠色、節(jié)能、高效的碳減排技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)常溫常壓合成氨。

電催化氨合成技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)和制備具有高活性和穩(wěn)定性的電催化劑。為了篩選出這樣的催化劑，我們采用有缺陷的二維磷化硼(BP)作為載體材料，然后在BP上負(fù)載12種過渡金屬單原子作為新的單原子氨合成催化劑?！眳怯衿浇淌诮榻B，團(tuán)隊(duì)采用高效的密度泛函理論研究方法，系統(tǒng)研究了各自的催化性質(zhì)。通過研究和篩選，發(fā)現(xiàn)鉬單原子負(fù)載二維磷化硼催化劑材料不僅具有氮活化和還原氨合成的高效性，而且在抑制析氫競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)方面也有突出的表現(xiàn)。

“合成氨本質(zhì)上是一個(gè)還原反應(yīng)。氮分子在常溫常壓下是惰性的，鉬單原子負(fù)載的二維磷化硼催化劑材料可以活化它們，從而促進(jìn)還原反應(yīng)過程。而且這種催化劑還可以減少反應(yīng)過程中氫氣的釋放，抑制析氫的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)?！毕嚓P(guān)研究成果的成功從理論上證明了新型催化劑對(duì)氨合成反應(yīng)的進(jìn)程具有重要作用，將對(duì)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用產(chǎn)生直接影響，對(duì)氨生產(chǎn)和單原子電催化劑在高效碳減排氨合成技術(shù)發(fā)展中的應(yīng)用具有重要意義。