新闻网讯 3月10日，集成电路学院王春栋团队在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）发表题为“超薄MOF纳米片催化时空同步的硝酸盐电还原制氨”（Ultrathin MOF Nanosheet Catalyzes Spatiotemporal Synchronized Electroreduction of Nitrate-to-Ammonia）的研究论文。王春栋教授为论文唯一通讯作者。
研究将孤立的单原子Ru精准锚定在超薄钴基金属有机框架（MOFs）纳米片上（RuSAC@Co-MOF）。该策略性构筑的双金属催化剂在中性条件下实现了高达97.4%的氨法拉第效率与882.3 μg h-1 cm-2 的产氨速率，解决了硝酸盐还原中的“富氢”却难以匹配问题。其催化核心在于单原子Ru扮演的“质子泵”角色与氧桥接Co位点的接力协同。原位红外吸收光谱与质谱实验表明，Ru显著降低了水解离能垒，产生的大量活性氢（*H）在超薄晶格内近乎零延迟地传递给相邻的Co位点，实现了“质子生成”与“底物还原”的时空同步。密度泛函理论计算进一步揭示，Ru/Co双位点不仅优化了含氮中间体的吸附脱附，更通过这种时空协同大幅削减了整个加氢反应的热力学能垒。有效打破了中性介质中水活化迟缓的性能瓶颈，深入揭示了单原子“质子泵”通过时空同步机制加速质子传递、优化多步加氢动力学的新模式。这为解决复杂多电子/多质子耦合催化反应中的“时空匹配”难题提供了重要的理论参考。
图为部分实验结果。
电化学硝酸盐还原制氨以可再生电为驱动力，在温和条件下将硝酸盐污染物转化为高价值氨，是 “变废为宝” 的绿色策略。但该反应为 8 电子 9 质子的复杂过程，中性电解液中存在两大瓶颈：一是自由质子浓度极低（~10-7M），水解离缓慢导致 * H 供给不足，引发活性位点 “氢饥饿”；二是单活性位点上硝酸盐与水的竞争吸附，加剧加氢动力学限制，易生成亚硝酸盐等副产物，降低法拉第效率和氨产率。活性位点的随机和无序分布使得在原子尺度上精确调制双位点间空间分离和电子耦合变得困难。这种结构异质性不仅限制了协同效应的最大化，也掩盖了内在反应机制的识别。超薄MOF纳米片为设计原子精确催化剂提供理想的模型平台，其晶格的长程周期性使得供氢中心与消耗氢中心之间的位点间距能够以埃级精度固定，从而大幅缩短活性氢的溢出和输运路径。
此项工作是王春栋教授团队在催化方向的阶段性研究成果。团队长期从事电催化相关探索，近两年来在能源催化材料局域电子调控及反应动力学机制研究方面取得了系统研究成果。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202600025
