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氨是农业、化工、纺织工业的重要原料之一，年产值超过1.5亿吨。然而，Haber-Bosch法作为目前生产氨气的主要方法消耗了大量的资源(约占全球能源的2%)，同时释放出大量的二氧化碳。因此，绿色生产氨是目前需要解决的主要问题之一。电催化氮还原反应(NRR)作为一种比Haber-Bosch法更温和、成本更低的方法，引起大家的广泛关注。从金属和非金属催化剂的发展历史来看，用于NRR的异核无金属电催化剂有望取得优异的性能(图a)。因为开发无金属异核双原子催化剂是实现低能耗、无污染高效氮还原催化的潜在策略，它可以既具有双原子催化剂中灵活活性位点的优点，又具有无金属催化剂中无污染和高法拉第效率的优点。因此，有必要通过理论计算探究异核无金属双原子催化剂对NRR的催化性能，为实验提供思路。而除硼以外的非金属原子没有未成键的空轨道和已占据轨道，阻碍了N₂的捕获和电子向N₂的转移，因此氮的激活能力较差。降低了无金属催化的可能性，阻碍了异核无金属双原子催化剂的发展。

为此，我们提出了一种新的“捕获-反馈-再捕获”机制，巧妙地利用了硼原子、基底和其他非金属元素之间的电子“捕获-反馈-再捕获”机制来解决上述问题。基于这一机理，通过第一性原理计算，系统研究了36种二维材料的材料构型、吸附能、催化活性和选择性，以评价其催化性能。捕获-反馈-再捕获机制主要包括三个部分:(1)捕获，硼原子的sp³空轨道捕获氮气的孤对电子，(2)反馈，硼原子将自己和另一个共掺杂的非金属原子反馈一些电子到N₂的反键轨道，(3)再捕获，当其他共掺杂的非金属原子将电子直接转移到基底上，并通过硼原子转移到氮气上后，新的空sp³轨道可以重新捕获氮气另一侧的孤对电子，形成新的电子传输通道。

近期，该研究成果以《异核无金属双原子催化剂的“捕获-反馈-再捕获”机制促进N₂还原》(“Capture-Backdonation-Recapture” Mechanism for Promoting N₂ Reduction by Heteronuclear Metal-Free Double-Atom Catalysts)为题发表在化学类旗舰期刊 J. Am. Chem. Soc. 上。

Cite This: J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 9344−9353

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c01245?utm_source=SendGrid_ealert&utm_medium=ealert&utm_campaign=TOC_jacsat_v144_i21&ref=SendGrid_ealert_TOC_jacsat_v144_i21_