近日，化学与材料工程学院刘天西教授/张龙生副教授在设计开发高性能硝酸盐电还原制氨催化剂的研究中取得重要进展，研究成果以“Defect-Enriched Cobalt-Based Coordination Polymers for Selective and Efficient Nitrate Electroreduction to Ammonia”为题发表在《Advanced Functional Materials》上（DOI: 10.1002/adfm.202422339）。本论文第一作者为江南大学硕士研究生丁奕丹，通讯作者为江南大学刘天西教授和张龙生副教授。
氨作为一种重要的化工原料，在农业和工业等领域发挥着重要的作用。然而，高能耗、高碳排放的传统Haber-Bosch制氨工艺与我国“碳中和”的可持续发展战略目标相悖。硝酸盐电还原制氨作为一种绿色合成氨技术，其利用清洁可再生的电能，不仅能将硝酸盐污染物直接转化为具有高附加值的氨，而且能为硝酸盐废水处理提供一条有效途径。单原子催化剂，因其具有金属原子利用率高、电子结构和活性位点可调等优点，在很多催化反应中展现出优异的性能，具有巨大的应用潜力。但是，由于竞争性析氢副反应、在低浓度体系中对硝酸盐的吸附较弱等原因，单原子催化剂的硝酸盐电还原制氨反应活性和选择性仍不太理想，仍不能满足大规模氨合成的需求。
针对上述问题，我们开发了一种富含缺陷的配位聚合物催化剂，该催化剂具有不饱和配位结构的金属单原子活性位点，能显著促进硝酸盐的吸附与转化，实现硝酸盐电还原制氨活性和选择性的提升。配位聚合物催化剂由单原子金属中心与有机配体通过配位键组成，由于金属中心和有机配体种类的多样性，使得其具有良好的可调节性。如图1所示，我们以钴为例，通过对钴基配位聚合物（CoCP）进行甲醇蚀刻处理，成功合成了富含缺陷的钴基配位聚合物（d-CoCP）。电化学测试结果显示，d-CoCP催化剂表现出优异的硝酸盐电还原制氨活性和选择性，其在电流密度为173.3 mA cm⁻2时，氨产率达到0.78 mmol h⁻1cm⁻2，法拉第效率高达97%，性能远高于CoCP催化剂。本工作表明了富含缺陷的钴基配位聚合物作为一类催化剂在硝酸盐电还原制氨领域具有较大的潜力，促进了配位聚合物材料的基础研究，也为高性能硝酸盐电还原制氨催化剂的合理设计提供了有益借鉴。
富含缺陷的钴基配位聚合物的制备流程和催化性能测试结果
