含能材料是一类含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物、能独立进行化学反应并输出能量的化合物或混合物，是军用炸药、发射药和火箭推进剂配方的重要组成部分。其中，富氮杂环类化合物由于在具有挑战性的含能材料领域中能够同时满足多种需求被认为是具有前景的含能化合物。然而常规有机合成法通常包含有机试剂和氧化剂，这些试剂通常具有毒性、腐蚀性和高成本以及副产物较难去除等弊端。并且需在高温下进行反应，具有较大安全隐患。本工作针对传统偶氮类有机含能材料的合成过程中的缺陷，发展了绿色温和的电化学法合成偶氮类含能材料。反应在室温下即可进行，且避免使用氧化试剂以及繁琐的副产物分离步骤，最终实现绿色电化学合成含能材料。氢能由于其清洁无污染、热值高、可循环等特点而受到广泛的关注。传统制氢的工艺主要有化石能源制氢、电解水制氢、光解水制氢、微生物制氢等。化石能源制氢是现如今主要制氢方式，但是这种方法需要消耗大量的不可再生能源，释放大量的CO2，加剧温室效应。而电解水制氢是一种清洁的制氢方式，但是仍有一些因素制约其发展。其中缓慢的氧气析出反应（OER）速率是影响电催化水分解制氢（HER）效率的重要因素。而选择电位较低且具有高附加值的氧化反应代替OER可从根本上解决制氢槽电压过高、能耗高的问题。
图1 低能耗制氢与绿色电化学合成含能材料耦合装置与传统偶氮化反应对比示意图（来源：Advanced Materials）近日，西北大学马海霞课题组联合北京化工大学邱介山/徐明课题组在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为”Green Electrosynthesis of 5,5′-Azotetrazolate Energetic Materials Plus Energy-Efficient Hydrogen Production Using Ruthenium Single-Atom Catalysts”的文章（DOI：10.1002/adma.202203900）。该文章首次报道了将具有较低热力学氧化电位的5-氨基-1H-四唑（5AT）进行偶氮化反应替代OER部分并与电解水产氢耦合实现了低槽压、低能耗产氢的同时进行绿色电合成富氮含能材料，达到了一举两得的效果。为新型低能耗电解水产氢耦合体系的设计提供了一个方向（图1）。
图2 （a）碳布（CC）负载MoSe2/Ru单原子催化剂制备示意图；MoSe2/Ru的（b）SEM图、（c、d、d1）TEM图；（e）球差电镜图；（f）HAADF-STEM图和（g-i）Mo、Se和Ru元素分布图。（来源：Advanced Materials）
图3 MoSe2以及分别负载Ru纳米颗粒和Ru单原子的（a）XRD图；（b）拉曼图谱；（c）XPS全谱；（d）Mo 3d、（e）Se 3d和（f） Ru 3p的XPS信号。（来源：Advanced Materials）
图4 CC@MoSe2/Ru以及标样Ru铂、RuO2的（a）Ru的k边XANES谱图；（b）EXAFS谱图；（c）小波转换图；（d）CC@MoSe2/Ru的EXAFS拟合图；（e）预测的Ru单原子在MoSe2表面配位结构。（来源：Advanced Materials）
图5 （a）不同5AT量的LSV测试；（b）耦合体系示意图；（c）添加与不添加5AT的两电极LSV测试；（d）与文献全解水槽压对比图；（e）耦合体系实物图；（f）恒电流稳定性测试；（g）偶氮化含能材料的紫外-可见光表征；（h）偶氮含能材料的NMR 13C与1H谱图。（来源：Advanced Materials）该偶氮化反应在阳极生成高能富氮含能材料，相比于传统有机合成方法具有绿色、环保、高效、安全等优势。同时，在钌单原子修饰的硒化钼纳米片复合催化剂驱动下，施加较低槽电压（1.35 V，10 mA cm–2）即可制备氢气，相比于传统电解水制氢反应槽电压降低了410 mV。该工作设计了一个新颖的低能耗制氢耦合体系，进行绿色电合成偶氮含能材料的同时实现低能耗制氢，为制氢工业领域以及民用/军用含能材料领域的发展提供了一个新方向。通讯作者马海霞：西北大学化工学院二级教授，教育部新世纪优秀人才和陕西省人才推进计划中青年科技创新领军人才，获陕西省青年突击手和第六届陕西省青年科技奖。马海霞教授致力于含能材料的开发、安全性评估以及废水的绿色处理等研究工作。课题组依托西安市特种能源材料重点实验室，以“双碳”战略目标为导向，采用绿色低碳光化学、电化学技术制备含能材料，率先将有机含能材料合成与制氢反应进行耦合，构建联产体系。在《Advanced Materials》、《Advanced Functional Materials》、《ACS Catalysis》等著名期刊上公开发表论文200余篇，其中150余篇被SCI收录。通讯作者邱介山：北京化工大学化学工程学院院长、国家杰出青年基金获得者、全国化工优秀科技工作者、全国百篇优秀博士论文指导教师。主要从事材料化工和能源化工等领域研究，工作获德国拜尔公司等名企资助。在Nature Mater., Adv. Mater.等学术刊物发表论文800余篇，论文SCI总引41500余次, h指数98（web of sci.）；申请及授权发明专利140余件。应邀在国际煤炭科学大会(ICCS&T)等学科领域重要会议做plenary/keynote/invited报告140余次；入选科睿唯安全球高引科学家名单和Elsevier中国高引科学家榜单（化学工程）；获教育部自然科学一等奖、辽宁省自然科学一等奖等奖励和表彰20余次。现任中国科协先进材料学会联合体主席团副主席、《化工学报》和Battery Energy副主编、Chem. Eng. Sci.， Energy Technology等20余种刊物的编委。通讯作者徐明：徐明，男，博士，副教授，硕士生导师。2018年于北京化工大学毕业，获理学博士学位，师从卫敏教授；同年进入北京大学从事博士后研究，合作导师：马丁教授。2020年9月份加入北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室，研究方向是碳基能源小分子的高值转化及串联催化新反应过程的探究，生物质平台化合物的转化制氢及高附加值化学品的研究，以及利用原位光谱表征技术揭示催化反应活性中心和催化机理的研究。主持北京大学“青年学者”项目，中国博士后科学基金面上资助项目/特别资助项目，国家自然科学基金青年基金，和北京化工大学青年优秀后备人才引进项目。迄今发表SCI论文30余篇，论文总被引600余次；其中第一/共一作者/通讯作者发表SCI论文10篇，包括Nature Catal. 1篇，J. Am. Chem. Soc. 1篇，Adv. Mater. 2篇，ACS Catal. 2篇，Adv. Funct. Mater. 2篇，Appl. Catal. B: Environ. 1篇等。其中JACS和ACS Catal.等2篇文章被遴选为期刊的主封面论文并进行刊登；此外，发表在JACS和Nature Catal.的工作分别被JACS, Nature Catal.,和Chem等作为期刊的亮点文章进行评述和报道！第一作者李嘉辰：西北大学化工学院师资博士后，从事电催化水分解制氢、水合肼污水处理、含能材料绿色合成等研究。以第一作者在《Advanced Materials》、《Advanced Functional Materials》、《ACS Catalysis》等著名期刊上公开发表论文。获批国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目和陕西省特种能源化学与材料军民共建重点实验室开放基金重点项目。CBG资讯一直致力于追踪新鲜科研资讯、解读前沿科研成果。如果你也对科研干货、高校招聘、不定期福利（现金红包、翻译奖励、实验室耗材优惠券等）有兴趣，那么，请长按并识别下图二维码，添加C菌微信（微信号：chembeango101），备注：进群。