非金属电催化剂环境条件下氮还原反应的研究进展

O643; 在现代社会中氨是一种重要的工业原料,广泛应用于化工业、塑料制造,炸药以及染料等行业.由于氨气中不含碳,氢容量大、能量密度高且易于运输,已经被视为一种绿色能源替代品.Haber-Bosch方法在全球合成氨中起着主导作用,但其过程在高温高压条件下进行,且伴随着高能耗和CO2排放的问题.电催化氮还原反应(NRR)有望成为常规条件下低成本且环境无害的替代方法,且具有太阳能、风能和其他可再生能源相同的应用潜力.然而,由于惰性的N≡N键,它需要有效的电催化剂来驱动氮气-氨气的转化.迄今为止,人们一直在努力探索高性能催化剂,以实现高效率和选择性.通常,贵金属催化剂具有较高的NRR效率,但是稀缺性和高成本限制了它们的大规模应用.因此,人们将注意力集中在丰富的过渡金属(TM)催化剂上,该催化剂可以通过空的轨道接受氮气分子的孤对电子,同时提供丰富的d-轨道电子进入氮气的反键轨道.然而,这些催化剂可能释放金属离子,导致环境污染,并且大多数金属电催化剂也可能促进金属与氢成键,从而在电催化反应过程中促进了析氢反应(HER).近年来,非金属催化剂已经成为一个研究热点.非金属催化剂主要包括碳基催化剂(CBC)以及一些硼基和磷基催化剂.通常,碳基催化剂具有多孔结构和较大的表面积,这有利于暴露更多的活性位点,并为质子和电子的传递提供了丰富的通道.本文总结了近期非金属电催化剂(MFCs)在电化学NRR中的设计和发展状况,包括碳基、硼基和磷基催化剂.此外,大多数非金属化合物的路易斯酸位也可以接受氮气的孤对电子并通过形成非金属和氮成键来吸附氮气分子,从而进一步扩大了它们在电催化NRR中的潜力.与金属基催化剂相比,非金属催化剂的占据轨道只能形成共价键或共轭π键,从而阻碍了电子从催化剂到氮气分子的转移以及分子的活化.我们重点讨论了掺杂型催化剂(N,O,S,B,P,F掺杂以及共掺杂)、有机聚合物、氮化碳及缺陷和表面修饰催化剂.最后,我们还讨论了提高NRR性能的方法,展望了非金属电催化剂的发展前景.