基于密度泛函理论（DFT）指导的双吡啶锚定铜单原子催化剂的设计与合成：该催化剂能够在宽pH范围内高效实现硝酸盐向氨的电还原反应

《ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION》：DFT-Guided Design and Synthesis of Bipyridine-Anchored Copper Single-Atom Catalysts for Efficient Nitrate-to-Ammonia Electroreduction Across a Broad pH Range

电化学硝酸盐还原制氨的单原子催化剂设计研究中，通过理论筛选和精确合成获得Cu-SAC/UiO-bpy催化剂，其在中性条件下实现7.4 mg h-1 cm-2的氨产率与98.1%的法拉第效率，并具备宽pH适应性。活性位点通过促进水分子解离及高效氢化反应选择性生成氨分子。

　　

摘要

将硝酸盐电化学转化为氨是一种有效的方法，可以减轻硝酸盐污染，同时为氨的合成提供可持续的策略。开发出在硝酸盐还原反应（NO₃RR）中兼具高活性和选择性的低成本电催化剂是一个重大挑战。本文通过理论筛选和精确合成技术，展示了单原子催化剂（SACs）在NO₃RR中的应用。一系列基于联吡啶的3d过渡金属SACs经过计算评估了其NO₃RR的活性和选择性，其中联吡啶-Cu催化剂被证明是最佳候选者。根据计算预测，将联吡啶封装在含锆的金属-有机框架（Cu-SA/UiO-bpy）中后，该催化剂在中性条件下实现了7.4 mg_NH3 h^?1 cm^?2的氨产率和98.1%的法拉第效率。此外，Cu-SA/UiO-bpy在广泛的pH范围内表现出优异的催化性能（FE > 90%）。原位表征和理论计算进一步表明，联吡啶-Cu位点促进了水的界面解离，并有效生成了活性氢物种，从而实现了NO_x中间体向氨的选择性氢化。这种数据驱动的方法与精确合成的结合，为开发高性能催化剂用于NO₃RR及其他催化应用提供了一种新的范式。

图形摘要

本文提出了一种综合方法，结合理论筛选和精确合成技术，用于设计基于联吡啶的Cu单原子催化剂，以实现硝酸盐在宽pH范围内的电化学转化为氨，涵盖酸性到碱性条件。这些联吡啶-Cu位点在NO₃RR中的优异性能归因于它们增强的界面水解离能力和高效的氢化能力，这些特性促进了NO_x中间体向氨的选择性转化。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。