双位点协作促进Ru-S-C单原子催化剂上的电化学氮还原

氨(NH3)是人类社会重要的肥料和化学品;然而，传统的Haber-Bosch工艺生产它会消耗大量的化石燃料能源并产生大量的二氧化碳排放。由可再生能源提供动力，在环保和温和的条件下将氮(N2)电催化还原为NH3为碳中和提供了极具吸引力的解决方案。

尽管最近取得了重大进展，但电催化氮还原反应(eNRR)的选择性和活性仍然有限。这是由于N≡N三键的超稳定性。理论和实验努力表明，电催化剂始终面临着有效激活N2并在决速步骤(RDS)中完成N2的第一次质子化以形成NNH*的重大挑战。

打破eNRR上述限制的一种策略是在催化反应中涉及多反应位点，就像有天赋的金属酶中的催化活性位点一样。例如，在Fe固氮酶中，与Fe中心相邻的S原子作为结合质子(H*)的助催化位点，静电激活Fe中心吸附的N2分子至最佳状态并提供H*用于N2的加氢。

金属中心与其配位原子之间的这种密切协作使固氮酶具有超高的活性和选择性。因此，可以预期催化剂表面多个催化位点的协同作用可以显着提高eNRR的活性和选择性。

最近，由中国天津大学陶凌教授领导的研究团队提出实现多反应位点的协同工作以克服可持续NH3生产的限制。在此，研究人员使用钌-硫-碳(Ru-SC)催化剂作为原型，表明Ru/S双位点在环境条件下协同催化eNRR。

结合理论计算、原位拉曼光谱和实验观察，研究人员证明这种Ru/S双位点合作极大地促进了eNRR决速步骤中N2的活化和首次质子化。因此，与常规Ru-NC催化剂相比，Ru-SC催化剂通过单中心催化机制表现出显着增强的eNRR性能。

专门设计的双位点协同催化机制可以为推进可持续的NH3生产提供新的机会。