郭林教授及物理学院刘利民教授合作研究成果

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近日，化学学院郭林教授和物理学院刘利民教授研究团队在高度分散的原子级非晶BiOx团簇可控制备及其电催化氮气还原反应方面取得新进展。相关工作以“Activating Bi p-orbitals in Dispersed Clusters of Amorphous BiOx for Electrocatalytic Nitrogen Reduction”为题，2023年2月12日在线发表在《Angewandte Chemie International Edition》杂志上。该研究获国家自然科学基金项目（No. 51532001, 11974037）等资助。化学学院副教授康建新为文章的第一作者，化学学院博士生陈翔宇和北京计算科学研究中心博士生司如同为共同一作，北京航空航天大学为该论文的第一完成单位。

非晶BiOx团簇6p轨道的调控与NRR活性的相关性

       发展高性能、低污染、低能耗的合成氨技术来替代或补充传统的哈伯制氨工艺是解决当前能源和环境危机、实现可持续发展的重要保障之一。然而，由于N2分子具有超低的质子和电子亲和性，很难被大多数过渡金属基催化剂活化。同时，过渡金属基催化剂通常在水体系中的析氢反应中表现优异，进一步降低了其在固氮反应中的催化选择性。这些因素使得基于氮气的水相电催化氮还原反应一直受到低反应速率和低选择性的困扰。为了解决这一问题，迫切要求发展不同于现有d轨道过渡金属基材料的全新催化剂和理论方法。
        研究团队利用原位电化学转化方法成功制备了高度分散的原子级非晶BiOx团簇，提出了通过调控主族金属Bi的p轨道实现固氮反应的理论框架，揭示了Bi(II)是NRR高活性的起源：Bi(II)的pz轨道是增强NRR活性的主要原因，其积分占据数与催化剂过电势之间呈线性比例关系，阐明了N2的还原主要受Bi原子6pz轨道向N2注入电子的影响。因此，通过制备高度不饱和配位的非晶BiOx团簇来调节Bi元素氧化态，是增强其NRR性能的关键。研究团队通过使用15N2进行同位素标记等性能测试方法，在-0.8 V vs. RHE的电位下获得了最佳的产氨速率113 μg h-1 mg-1cat，在-0.6 V vs. RHE的电位下获得了最佳的法拉第效率30%，优于目前大多数报道的NRR催化剂的性能。
该项研究工作揭示了非晶BiOx团簇6p轨道占据数的调控引起的Bi氧化态的变化与氮还原反应的活性及选择性间的内在联系，为进一步开发基于p轨道的主族金属基催化剂提供了借鉴。
       原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202217428。
       文章来源：北航
        郭林，男，1964年10月生，教授，博士生导师。教育部长江学者奖励计划特聘教授；国家杰出青年基金、国务院政府特殊津贴、宝钢优秀教师奖获得者；新世纪百千万工程国家级人选。先后于东北师范大学、吉林大学、北京理工大学获学士、硕士、博士学位；中国科学院高能物理所同步辐射国家实验室博士后。曾在香港科技大学化学系做访问学者，德国德累斯顿理工大学低温物理研究所做“洪堡学者”。2001年北京航空航天大学首批校长直聘教授, 现为北京航空航天大学化学与环境学院副院长，教育部仿生智能界面科学与技术教育部重点实验室副主任；北航应用化学学科责任教授。中国科学技术大学兼职教授，中国颗粒学会理事，中国化工学会无机盐专业学科带头人，国家基金委第十二、十四届材料工程学部材料评审组成员，教育部胶体与界面化学应用重点实验室学术委员。研究方向集中在纳米材料的制备、微结构表征和特性研究方面。承担国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点基金、国家“863”项目、国家“973”课题等多项课题。研究成果在国内外化学、材料领域重要期刊（如：J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.，Nanoletters）等上发表170余篇SCI收录论文。指导的博士生的论文2篇获北京市优秀博士论文, 1篇获全国百篇优秀博士论文；作为第一获奖人，2010年获教育部自然科学一等奖，2013年获国家自然科学二等奖。