氨对化工产品的制备和农业的发展起着至关重要的作用，同时也被认为是优良的能源载体和存储介质，与人类的生产生活和未来发展命运紧密相连。传统的工业制氨工艺主要依赖于Haber-Bosch法，高温高压以及污染物的排放成为了该项工艺长期发展的绊脚石。在当今全球追求绿色、环保和可持续发展的号召下，开发新型合成氨工艺尤为重要。电催化氮气还原反应（ENRR）制氨工艺是在常温常压下进行且零污染物的排放在近些年来深受研究者的亲睐。由于N≡N的高键能（941 kJ mol−1），通常需要提供高能耗才能打破N≡N。因此，开发高效电催化剂是突破ENRR高效制氨的关键。基于上述的研究背景，王爽老师小组以高效ENRR催化剂设计为目标，以ZIF-8母体材料，构筑了两种新型NRR催化剂。
工作一：非金属碳基催化剂由于本身惰性问题，整体上在ENRR中的表现不令人满意，这始终制约着非金属碳基催化剂在ENRR中的发展。鉴于此，王爽老师小组以ZIF-8为母体材料，引入三苯基磷（P源），通过一步法焙烧构筑了P，N共掺杂的多孔碳材料（PN-C-ZIF-8）。催化剂结构表征发现，P，N的掺杂使得PN-C-ZIF-8中的催化活性中心、缺陷的数量明显增多且在遗传母体ZIF-8高的比表面积的同时产生了多级孔结构。催化结果表明，PN-C-ZIF-8获得的氨产率高达43.39 μg h-1 mgcat.，法拉第效率为16.67%。此项研究为杂原子掺杂多孔碳材料的高效ENRR催化剂的设计提供了一种新思路。
图1. PN-C-ZIF-8的制备过程及电催化N2还原反应机理图。
图2. 电化学性能测试图。
工作二：过渡金属催化剂凭借其丰富的储备和相对低廉的价格，在ENRR中被广泛应用。其中，对于负载型过渡金属催化剂而言，催化活性中心与载体之间的关系是影响催化剂催化性能的关键。鉴于此，王爽老师小组通过调变ZIF-8和二苄基二硫（S源）的比例，经焙烧后，一步法构筑了一系列ZnS/NC-X（X=1，2，3，4）催化剂。在制备过程中，ZIF-8中的Zn节点与S源反应生成了ZnS纳米粒子，ZIF-8中的配体（2-甲级咪唑）碳化后转变为了N掺杂的碳载体。当ZIF-8和二苄基二硫的质量比为1：1时，制备得到了载体和催化活性中心具有高匹配性的ZnS/NC-2催化剂，该催化剂展示的氨产率高达65.60 μg h-1 mg-1cat.，法拉第效率可达18.52%，远超目前已报道的大部分过渡金属硫化物的催化性能。本研究从催化活性中心和载体的调控角度出发，为高效ENRR催化剂的构筑提供了新的研究思路。
图3. ZnS/NC-x的制备过程及电催化N2还原反应机理图。
图4. 电化学性能测试图。
工作一以One-step synthesis of N, P co-doped porous carbon electrocatalyst for highly efficient nitrogen fixation为题发表在Nano Research (https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-021-3722-3)，2019级硕士研究生赵思佳为第一作者，王爽教授和李晋平教授为通讯作者。工作二以The modulation of catalytic active site and support to construct high-efficiency ZnS/NC-X electrocatalyst for nitrogen reduction为题发表在Nano Research (https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4442-z)，助理研究员王鹏为第一作者，王爽教授和李晋平教授为通讯作者。
