我室太阳能研究部太阳能制储氢材料与催化研究组（DNL1621组）章福祥研究员团队联合计算和数据驱动催化研究组（511组）肖建平研究员团队，在双原子电催化剂（DACs）的理性设计与构筑方面取得新进展。研究团队基于具有优异导电性和水稳定性的金属有机框架材料（conductive MOF，cMOF），通过对铜-镍（Cu-Ni）双原子活性中心的精准调控，实现了在工业级电流密度下接近100%选择性地高效合成氨，并揭示了硝酸根电还原合成氨过程中的协同“接力催化”机制。
双原子催化剂凭借双金属活性位点间的协同作用，可有效突破单原子催化剂（SACs）在多电子反应中的性能瓶颈。然而，DACs在结构均一化、位点精确控制及电子结构调节方面仍存在挑战。针对这一难题，研究团队以结构明确、水稳定且导电性能优异的MOF为模型平台，提出并验证了在导电MOF中实现双原子位点精确构筑与调控的理性设计策略，为发展高效、可扩展的电催化体系提供了新思路。
在本工作中，研究团队合成了一系列CuxNiy-DBCO导电MOF，通过系统调节Cu/Ni比例，实现了对硝酸根电还原制氨（NO3RR）活性和选择性的精准优化。研究发现，NO3-→NO2⁻（R1）和NO3-→NH3（R2）两个关键反应步骤的相对速率决定了整体合成氨性能。其中，位点明确、结构均一的Cu98.5Ni1.5-DBCO催化剂实现了100%氨选择性、98.5%法拉第效率及200.7 mg h-1 mgcat-1的高产氨速率。原位光谱表征与密度泛函理论（DFT）计算揭示，Cu位点优先还原硝酸根生成亚硝酸根中间体（NO2-），而Ni位点可进一步高效将残余的NO2-转化为NH3，两者形成协同“接力催化”路径，实现高效且选择性突出的NO3-→NH3转化过程。基于该高性能催化剂，研究团队进一步构筑了可充电Zn–NO3-电池，实现了35.6 mW cm-2的领先功率密度与优异的同步产氨性能，展示了导电MOF在可再生能源转化与储能领域的应用潜力。
太阳能光催化技术是实现太阳能至化学能转化的重要方式之一，而助催化剂的开发是实现高效光化学转化的重要一环。近年来，DNL1621组致力于设计合成具有单原子分散的电催化新材料，围绕水氧化（Adv. Mater.，2024；J. Am. Chem. Soc.，2023；J. Energy. Chem.，2023）、水还原（Adv. Mater.，2024）、氧还原（Nat. Commun.，2023）、甲烷转化（J. Am. Chem. Soc.，2025；Angew. Chem. Int. Ed.，2025）、合成氨（J. Am. Chem. Soc.，2025）和二氧化碳还原（Angew. Chem. Int. Ed.，2023）等典型反应开发了系列高性能新材料，其有望作为助催化剂构筑高效的太阳能光化学转化体系。
相关工作以“Rational Design of Conductive MOF-Based Diatomic Electrocatalysts for Selective Ammonia Synthesis”为题，于近日发表在《美国化学会志》 （Journal of the American Chemical Society）上。该工作共同第一作者为DNL1621组博士后李庆林、贾春梅及511组博士研究生王乾晓。相关研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京光源、我所创新基金等项目的支持。（文/图 李庆林）
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c11655
