我國學者通過金屬鉍成功制備電催化合成氨的新型催化劑

　　近日，張江實驗室上海光源科學中心司銳研究員與北京理工大學殷安翔教授課題組、北京大學張亞文教授/嚴純華課題組合作，依托上海光源BL14W1線站，利用原位XAFS探測技術，在非貴金屬催化劑提升電化學合成氨技術方面取得了重要進展，相關研究結果以“Promoting nitrogen electroreduction to ammonia with bismuth nanocrystals and potassium cations in water”為題于2019年3月4日發表于Nature Catalysis雜志（https://www.nature.com/articles/s41929-019-0241-7）。

　　電催化氮還原反應（N2 + 3H2O ？ 2NH3 + 1.5O2）提供了一種“零排放”、可持續合成氨的新路徑，因此都具有極大的發展潛力與廣闊的應用前景。然而，電化學合成氨技術仍面臨重大挑戰，其發展嚴重受制于現有催化劑非常低下的選擇性與活性。現有研究經驗與理論表明：具有理論高活性的催化劑通常會導致激烈的析氫副反應，從而表現出低的反應選擇性；而可能具有高選擇性的催化劑對氮的吸附又過強，導致產物難以脫附，表現出過低的反應活性。因此，為大幅提高催化劑的選擇性與活性，就必須發展新型催化劑與催化體系。

　　北京理工大學殷安翔課題組與北京大學化學與分子工程學院張亞文/嚴純華課題組合作，開創性地利用非貴金屬催化劑（鉍納米催化劑）與堿金屬（鉀離子）助催化劑之間的協同作用，成功增強氮氣分子在催化劑表面的吸附與活化，同時抑制析氫副反應，從而突破已有極限，大幅提高電催化合成氨的選擇性與反應速率。為了探索高性能催化活性產生的決定性因素，探測活性金屬（鉍）在電催化條件下的存在形式，司銳研究員利用適用于原位電化學的測試裝置，使X射線穿透Kapton窗口與待測樣品粉體膜作用，通過數據采集獲得了X射線吸收精細結構（XAFS）譜。相關實驗結果表明：在未加電壓狀態下，催化劑中的鉍物種易于被氧化，以Bi(III)形式存在；一旦加電壓后，鉍則以金屬態的Bi(0)形式存在。因此，活性Bi(0)物種在加電壓狀態下可穩定形成，這一結論為相關催化機理的論證提供了可靠的實驗支撐。本研究為溫和條件下利用可持續能源高效合成氨提供了新的途徑。

鉍納米催化劑電鏡照片（左）以及Bi的原位XANES譜圖