乔世璋/唐城Chem综述：主族元素助力电化学固氮合成氨

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文 章 信 息

主族元素助力电化学固氮合成

第一作者：李来全

通讯作者：唐城*，乔世璋*

单位：澳大利亚阿德莱德大学

研 究 背 景

发展绿色、高效的合成氨方法一直是人们孜孜以求的目标。传统的哈珀法反应条件苛刻，耗能高，并且排放大量温室气体，已逐渐与人类追求低碳可持续发展的目标背道而驰。近年来，电化学合成氨（NRR）以其温和的反应条件以及良好的可再生能源兼容性引起人们的广泛关注。然而在研究中人们发现，电化学固氮严重受限于氮气的难活化特性以及剧烈的产氢副反应。因此，开发高活性高选择性的NRR催化剂一直是该领域研究的重点和难点。本文为未来基于主族元素的NRR催化剂设计提供了方向，有助于推动电化学固氮领域的研究。

文 章 简 介

在这里，澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授团队，在国际知名期刊Chem上在线发表了题为“Main-group elements boost electrochemical nitrogen fixation”的综述文章。文章首先总结了电催化氮还原（NRR）的反应机理以及目前所面临的挑战，针对氮气活化困难以及产氢副反应（HER）的困扰，作者认为相比于常用的过渡金属，主族元素具有一些独特的本征优势，为实现高效电化学氨氮转化提供了新的突破口。本文中，作者重点分析了主族元素在活化氮气以及抑制产氢方面的巨大优势，总结了近期主族元素基催化剂在这两方面的最新进展和作用机制，并提出了主族元素在高效NRR的催化剂、电解液以及界面工程等方面的设计思路。

图1  主族元素在活化氮气和抑制产氢方面的独特优势和应用1

本 文 要 点

要点一：主族元素物理化学性质丰富

主族元素主要包括元素周期表中s区的碱金属元素和p区的金属、类金属和非金属元素。相较于过渡金属，主族元素具有更为丰富的物理化学性质，从而可以实现各种不同的氮气活化机制。

要点二：主族元素助力氮气活化

利用电负性差异，催化剂中的硼或碳位点可以创造大量空的p轨道，这些空轨道可以与氮气分子中的孤对电子形成路易斯酸碱对的强相互作用从而实现氮气有效活化。对于一些主族金属如铋、锡等，可以通过缺陷、掺杂、结构调控等手段活化其所带p电子，通过给电子到氮气的反键空轨道而实现氮气活化。此外，主族元素还具备一些过渡金属无法实现的性质。比如，金属锂在常温常压下就可以与氮气分子发生反应，从而断裂N≡N键。一些主族非金属元素则可以通过形成缺陷位或以杂原子掺杂的方式来调节材料表面微环境，从而促进氮气分子活化。

要点三：主族元素抑制产氢副反应

有研究表明，催化剂的HER活性强烈依赖于其表面质子/电子的浓度，而其对NRR的影响则相对较小。某些主族金属如铋、锡、铅等处在金属-氢结合能火山图的左侧，具有较弱的本征氢吸附能力，同时它们通常只具备略优于半导体的电子传导能力，因而主族元素对HER的抑制有着独特的本征优势。此外也可以使用一些含主族元素的疏水聚合物对催化剂表面进行疏水处理，在提高表面氮气浓度的同时抑制界面处水分子的传输，从而有效抑制HER。除了对催化剂及其界面的调控，主族元素还可以通过对电解液进行优化而实现抑制HER的目的。

要点四：前瞻

综上，主族元素对活化氮气和抑制产氢都有独特的优势，为之后催化剂材料的设计提供了更多可能。同时原位表征技术的发展，为电极表面反应过程的探测和反应中间体的识别提供了极大的便利，可以进一步加深对主族元素活化氮气和抑制产氢机制的理解，进而指导设计基于多种策略的高效NRR催化剂。除了优化催化剂之外，对电解液和电极界面性质的优化也可对NRR性能起到极大促进作用。

通 讯 作 者 简 介

乔世璋 教授

现任澳大利亚阿德莱德大学化学工程与先进材料学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis，CMEC）主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、光催化、电池等。作为通讯联系人，在 Nature、Nat. Energy、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际顶级期刊发表学术论文超过445篇，引用超过715200次，h指数为137（Web of Science）。同时，乔教授拥有多项发明专利，并从工业界和澳大利亚研究理事会（ARC）获得研究经费超过1500万澳元。

乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2019年首届阿德莱德大学校长研究卓越奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）。乔教授是国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志J. Mater. Chem. A副主编，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/汤姆森路透（Thomson Reuters）化学及材料科学两个领域的高被引科学家。

课题组主页：https://www.adelaide.edu.au/directory/s.qiao#

唐城 博士

阿德莱德大学化学工程与先进材料学院讲师。2018年博士毕业于清华大学化工系，主要从事碳中和能源化学领域的研究，包括纳米碳材料、单原子材料、电催化、电合成、电池、氢能、绿氨等。以第一作者或共同一作身份发表论文40余篇，包括J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.（9篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（4篇）等，引用9000余次，h指数为48（Google Scholar）。唐博士曾获得2021年《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”亚太区榜单、澳大利亚科研理事会优秀青年基金（2022）、2020年中国化工学会基础研究成果一等奖（第二完成人）、2019年瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖、2016年清华大学学术新秀、2016年清华大学研究生特等奖学金、研究生国家奖学金（三次）等。2020年入选科睿唯安/汤姆森路透高被引科学家。

博士申请

✔已/即将获得材料类、物理类、化学类、化工类硕士学位或名校杰出本科毕业生✔有丰富的纳米材料合成表征、电催化、电池、光催化、原位谱学表征等研究背景，对相关课题发展有独到的见解和研究思路，并以第一作者在知名期刊上发表过学术论文✔英语成绩达到阿德莱德大学入学标准o   雅思成绩：平均6.5，其中听（6.0）说（6.0）读（6.0）写（6.0）或o   托福ibt： 总分79，其中听（13）说（18）读（13）写（21）ü  有多种奖学金可选（每年~28000 澳元无需付税）o   项目经费直接支持的奖学金o   澳大利亚国家奖学金o   阿德莱德大学奖学金o   CSC（中国国家留学基金委奖学金）

学 校 和 研 究 平 台 简 介

•  阿德莱德大学

阿德莱德大学是澳大利亚最富盛名的高等学府之一，同时也是澳大利亚“八大名校联盟”（即澳洲的藤校联盟）成员之一。自 1874 年建校以来，一直以其卓越的教学、学术和研究成功而享有盛誉。阿德莱德大学在历史上拥有 5 位诺贝尔奖获奖者，培养了 110 位罗德学者。校园位于市中心，生活便利，交通便捷，环境优美。

• 能源与催化材料中心

在乔世璋教授的领导下，澳大利亚阿德莱德大学于2017年成立能源与催化材料中心（CMEC）。研究中心发展“材料设计-原位光谱-理论计算”的研究方法，致力研发应用于能源和催化的高效、经济、并且有工业应用前景的材料。阿德莱德大学于2020年投资250万澳元在CMEC建立一个全新的原位表征中心，配备最顶尖的原位谱学和电化学表征仪器和机器学习服务器平台，进行电催化、光催化和电池材料的研究。

申请方法

有意者请将个人简历和一作文章（首页合并成单一文件）发送给唐城博士邮件：[e-mail]微信：tc986360779（备注博士申请）

原文链接

Main-group elements boost electrochemical nitrogen fixation

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(21)00514-3

相关进展

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