金屬氰胺化合物是有機-無機復合化合物體系。相比于O2?無機陰離子，準線型[NCN]2?作為有機陰離子功能基元，增加了金屬氰胺化合物晶體結構的空曠度；長鏈結構的[NCN]2?能夠調控金屬位點電子離域性和配位環境。因此，金屬氰胺化合物的這一特定結構可能出現氧化物中未觀察到的獨特電化學性質。這一特點可激發新的研究方向，并可為未來的電催化系統開發性能優越的新型催化劑。
中國科學院上海硅酸鹽研究所聯合瑞典皇家理工學院、大連理工大學，在新型金屬氰胺化合物材料電催化NOxRR制氨研究方面取得進展。前期，該團隊發現新型Cu2NCN具有優異的電催化CO2還原制備甲醇性能。進一步，團隊將Cu2NCN應用于電化學硝酸根還原（NO3RR）制備氨。近期，團隊開發了新型氰胺銅鋅（Cu0.8Zn0.2NCN）固溶體作為NO2RR制氨電催化劑。研究顯示，利用可再生電力能源驅動電催化NOxRR直接轉換成綠氨，反應條件溫和，可實現真正的零碳排放，并可促進廢水的反硝化和平衡氮循環。與N2的N≡N鍵941 kJ mol?1的高結合能相比，N=O鍵斷裂能僅有204 kJ mol?1，且NOx?在水溶液中具有良好的溶解性，有助于實現更快的電催化NO3RR/NO2RR以制備氨。
研究發現，在Cu2NCN電催化NO3RR過程中，非對稱和強吸電子能力的極化[N?C≡N]基元能夠提升電催化劑的表面靜電勢VS (r)，并在Cu位點形成強VS (r)，增強了陰極具有負電的NO3?的吸附能力，促進其轉化制氨。研究在中性低濃度硝酸鹽溶液中進行實驗測試發現，極化Cu2NCN表現出高氨收率和長期運行穩定性。DFT計算表明，極化Cu2NCN表面VS (r)增強，促進雙齒NO3在雙Cu位點的成鍵和不對稱吸附，利于O?N鍵解離和加速氫化。相關成果發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。
進一步，該團隊合成了具有局部結構扭曲和表面靜電勢優化的新型氰胺銅鋅固溶體（Cu0.8Zn0.2NCN），可實現對NO2?的不對稱吸附。理論計算和原位光譜測試表明，與線性極化的[NCN]2?配位的Cu?Zn位點能夠將CuNCN-NO2?中的對稱吸附構型[Cu?O?N?O?Cu]轉變為Cu0.8Zn0.2NCN-NO2?中的[Cu?N?O?Zn]不對稱構型，增強了吸附作用并促進了化學鍵的斷裂。以Cu0.8Zn0.2NCN為陰極構建的電解精煉廠在2.36 V全電池電壓下電流密度可達2000 mA cm–2，在工業級電流密度400 mA cm–2下可連續穩定運行超過140小時，同時，氨的生產速率約為～30 mgNH3 h–1 cm–2。相關成果發表在《美國化學會志》（JACS）上。
研究工作得到國家自然科學基金和上海市相關項目等的支持。
論文鏈接：1、2
耦合策略：可同時制氨和甲酸鹽的成對電化學電解精煉系統示意圖
本文鏈接：研究開發出合成氨的高效氰胺金屬化合物電催化劑http://www.sq15.cn/show-12-976-0.html
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