本站讯 近日，中国海洋大学化学化工学院孟祥超教授课题组等在国际顶尖期刊Angewandte Chemie International Edition（《德国应用化学》）上发表了题为“Defects-Induced Single-Atom Anchoring on Metal-Organic Frameworks for High-Efficiency Photocatalytic Nitrogen Reduction”（金属-有机框架上缺陷诱导的单原子锚定高效光催化氮还原）的研究论文。
氨不但是重要的化工原料，而且是人工肥中的重要组成部分。同时，氨能量密度大、易于储存运输，可以燃烧且不排放CO2，近年来在作为绿色氢能源载体和燃料方面也表现出极高的应用潜力。目前工业合成氨主要是通过20世纪初发明的Haber-Bosch工艺，在高温（650-750 K）和高压（10 MPa）条件下，将N2与H2在催化剂表面转化为NH3。该反应能耗高、反应条件苛刻，单程转化率仅15%左右。据统计，世界每年用于工业合成氨消耗的能量约占2%，产生约4亿吨的CO2。随着能源短缺和环境恶化等问题日益严峻，发展新型合成氨技术，降低反应能耗、减少碳排放，已成为相关领域的研究热点。光催化技术以氮气和水为原料，在光能驱动下，打破热力学平衡，实现了常温、常压下光催化固氮合成氨，近年来逐渐成为研究热点。
针对光催化固氮过程面临的反应活性低这一关键科学问题，从反应热力学的角度选择性设计催化材料，即构建合适的活性中心降低反应活化能，并耦合半导体能带结构实现光生载流子由光催化剂到含N物种的有效传递，从而有效提高光催化固氮合成氨效率。基于此，中国海洋大学孟祥超教授课题组提出了一种光化学刻蚀原位构建缺陷，并以之精确诱导金属单原子负载策略，实现Ru金属单原子在UiO-66 (Zr)等金属有机框架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs）的高分散性构筑，成功构建集氮气吸附、活化及加氢反应的多活性位点。同时，钌单原子与载体之间形成强的电子-金属-载体相互作用，加速光生载流子在金属单原子与MOFs材料之间的电荷转移，显著提高光催化固氮合成氨反应活性，实现常温常压下光催化合成氨活性从4.57 μmol g-1 h-1提高到53.28 μmol g-1 h-1。这项工作为金属有机框架材料表面高分散性负载金属单原子提供了一种普适性的构筑方案，同时，也为理解光催化固氮合成氨反应过程机制提供了更多的理论依据。
研究成果的第一完成单位是中国海洋大学化学化工学院，孟祥超教授为唯一通讯作者，文章第一作者是化学化工学院2020级海洋化学工程与技术专业博士生任广敏。该工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省泰山学者项目以及学校学科建设等项目经费的大力支持。
通讯员：任广敏
编辑：孔佑然
责任编辑：赵奚赟
