氨合成的电气化是其分散化和降低对大气二氧化碳浓度的影响的关键目标。以醇为质子/电子给体的锂金属电化学法将氮还原为氨是一项重要的进展，但需要相当负的电位和无水条件。使用氧化还原介体的有机金属电催化剂也有报道。水作为质子和电子供体还没有在这些反应中被证明。

近日，魏茨曼科学研究所Ronny Neumann报道了一种无机分子催化剂--三铁取代的多氧钨酸盐(SiFe₃W₉)用于N₂电催化还原为NH₃。

文章要点

1）催化剂需要Li⁺或Na⁺离子作为促进剂与{SiFe₃W₉}结合。实验核磁共振、循环伏安和紫外可见光谱测量、分子动力学模拟和密度泛函理论计算表明，碱金属阳离子能够降低{ SiFe₃W₉}的氧化还原电势，从而使N₂活化。

2）用高纯度的¹⁴N₂和¹⁵N₂进行控制电位电解，排除了污染物生成NH₃的可能性。重要的是，使用Na+阳离子和聚乙二醇作溶剂，水的阳极氧化可以作为生成NH₃的质子和电子供体。在1bar N₂的连续槽中，NH₃的生成速率为1.15nmol sec⁻¹ cm⁻²，法拉第效率为25%，10 h内每当量{SiFe₃W₉}为5.1当量NH₃，TOF值为64 S⁻¹。

未来开发合适的高比表面积阴极和溶解良好的氮气以及使用水作为还原剂是未来部署电催化氨合成的重要关键。

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Avra Tzaguy, et al, Electrocatalytic Reduction of Dinitrogen to Ammonia with Water as Proton and Electron Donor Catalyzed by a Combination of a Triironoxotungstate and an Alkali Metal Cation, J. Am. Chem. Soc., 2023

DOI: 10.1021/jacs.3c06167

https://doi.org/10.1021/jacs.3c06167