近日，js666金沙大厅登录入口王金兰教授课题组在固氮催化剂的研究中取得新进展，研究成果以“Metal-Free Single Atom Catalyst for N2 Fixation Driven by Visible Light”为题发表在化学类顶级期刊《美国化学会会志》(Journal of the American Chemical Society) 上。
氮元素是构成生物的最主要元素之一。尽管大气中氮气的含量高达78%，但是氮气的活化十分困难。目前工业上广泛采用Haber–Bosch法将氮气还原成氨气，然而这一过程需要在高温高压下进行，因此能耗高。据统计，每年用于合成氨的能耗超过全球年能耗的1%。光/电催化固氮是合成氨的一种新途径，能够在常温常压下实现氮气的还原，因此引起了广泛关注。核心问题就是寻找和设计高效、稳定、低廉的催化剂。
目前，高效的固氮催化剂主要是基于过渡金属（TM）化合物，而关于非金属催化剂的报道很少。这是由于过渡金属中空的d轨道和占据d电子的共存，既能够容纳氮气分子中N原子的孤电子对，又能够提供电子到氮气分子的反键轨道，从而活化N≡N三键、增强N‒TM键。
通过分析硼原子的核外电子结构，王金兰教授团队发现sp3杂化的硼原子与过渡金属类似，也同时具有空轨道和占据轨道，因此有望用于氮气的活化与还原。通过结构、性能等多方面的分析，他们最终选择g-C3N4作为衬底来负载sp3杂化的硼原子，设计了首个不含金属的单原子催化剂，B/g-C3N4。理论计算表明，B/g-C3N4可以在极低的起始电位(0.20 V)下，通过酶促机理有效地将氮气还原为氨气。此外，硼的修饰可以显著增强g-C3N4的可见光吸收，因此有望实现太阳能驱动的固氮反应。此外，该催化剂也具有很大的合成前景以及极高的稳定性。
该工作的第一作者是js666金沙大厅登录入口博士生凌崇益，王金兰教授和昆士兰科技大学杜爱军教授为通讯作者。
以上工作受到国家杰出青年基金、国家重点研发计划、江苏省“333高层次人才培养工程”、国家留学基金等项目资助。
论文链接为：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.8b07472