【儀表網 研發(fā)快訊】近日，中國科學院大連化學物理研究所太陽能研究部太陽能制儲氫材料與催化研究組(DNL1621組)章福祥研究員團隊聯合計算和數據驅動催化研究組(511組)肖建平研究員團隊，在雙原子電催化劑(DACs)的理性設計與構筑方面取得新進展。研究團隊基于具有優(yōu)異導電性和水穩(wěn)定性的金屬有機框架材料(conductive MOF，cMOF)，通過對銅-鎳(Cu-Ni)雙原子活性中心的精準調控，實現了在工業(yè)級電流密度下接近100%選擇性地高效合成氨，并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(SACs)在多電子反應中的性能瓶頸。然而，DACs在結構均一化、位點精確控制及電子結構調節(jié)方面仍存在挑戰(zhàn)。針對這一難題，研究團隊以結構明確、水穩(wěn)定且導電性能優(yōu)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(fā)展高效、可擴展的電催化體系提供了新思路。
 

　　在本工作中，研究團隊合成了一系列CuxNiy-DBCO導電MOF，通過系統(tǒng)調節(jié)Cu/Ni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(yōu)化。研究發(fā)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%法拉第效率及200.7 mg h-1 mgcat-1的高產氨速率。原位光譜表征與密度泛函理論(DFT)計算揭示，Cu位點優(yōu)先還原硝酸根生成亞硝酸根中間體(NO2-)，而Ni位點可進一步高效將殘余的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?；谠摳咝阅艽呋瘎芯繄F隊進一步構筑了可充電Zn–NO3-電池，實現了35.6 mW cm-2的領先功率密度與優(yōu)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，而助催化劑的開發(fā)是實現高效光化學轉化的重要一環(huán)。近年來，DNL1621組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(Adv. Mater.，2024；J. Am. Chem. Soc.，2023；J. Energy. Chem.，2023)、水還原(Adv. Mater.，2024)、氧還原(Nat. Commun.，2023)、甲烷轉化(J. Am. Chem. Soc.，2025；Angew. Chem. Int. Ed.，2025)、合成氨(J. Am. Chem. Soc.，2025)和二氧化碳還原(Angew. Chem. Int. Ed.，2023)等典型反應開發(fā)了系列高性能新材料，其有望作為助催化劑構筑高效的太陽能光化學轉化體系。
 

　　相關工作以“Rational Design of Conductive MOF-Based Diatomic Electrocatalysts for Selective Ammonia Synthesis”為題，于近日發(fā)表在《美國化學會志》 (Journal of the American Chemical Society)上。該工作共同第一作者為DNL1621組博士后李慶林、賈春梅及511組博士研究生王乾曉。相關研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京光源、我所創(chuàng)新基金等項目的支持。