近日，化学化工学院（省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室）罗民教授负责的能源和环境材料研究团队，在电催化固氮研究方面取得新进展。研究成果在线发表在美国ACS数据库国际著名学术期刊《ACS applied materials & interface》（Impact Factor 2018: 8.456）。论文题目：“MOF-derived Co₃O₄@NC with core-shell structures for N₂ electrochemical reduction under ambient conditions”；DOI：10.1021/acsami.9b07100.宁夏大学化学化工学院（省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室）罗民教授和李晓曼讲师为本文的通讯作者，2017级应用化学专业硕士生骆诗剑同学为论文第一作者。

该课题组通过两步法（碳化和氧化热处理工艺）调控制备基于金属有机框架材料的纳米复合电催化剂材料，获得了具有新颖核壳结构的Co₃O₄@NC用于常温电化学固氮（NRR）的高效电催化剂。该新型复合催化剂在0.05 M H₂SO₄电解液中，氨产率和法拉第效率达到42.58 μg/h/mg和8.49%，优于目前已有报道的绝大多数NRR电催化剂。实验表明，其优越的合成氨性能源于Co₃O₄中高浓度的氧空位和氮掺杂多孔炭的协同作用，此外，由于氮气被约束在“壳”内更有利于进行高频碰撞并增加NRR中间产物的浓度，提高控制步骤的反应速率，能够进一步提高电催化性能。

图1: (a) 核壳结构Co₃O₄@NC用于电化学氮气还原；(b) Co₃O₄@NC电催化剂的透射电子显微镜照片；(c) Co₃O₄@NC电催化剂的固氮性能；(d) Co₃O₄@NC电催化剂中氧空位活性位点含量分析。

氨作为一种常见的化工原料被广泛用于工、农业生产和能源储存转化等领域。目前，全球氨产量约为1.5亿吨/年，主要依赖于Haber-Bosch反应来实现，但该技术不仅耗能巨大，且排放大量的温室气体CO₂。因此，在能源危机和环境问题日益凸显的全球背景下，寻找一种绿色环保、低能耗的合成氨方法具有重要意义。近年来，电化学固氮（还原氮气生成氨反应，NRR）逐渐成为了一种研究广泛的合成氨新路径。该研究工作是电催化固氮领域研究的重要进展，不仅开发了一种新型、高效的电催化剂，也为在电催化固氮领域探索更多廉价、绿色的非贵金属催化剂材料提供了一条可行的研究思路与实验依据。

上述研究工作得到了国家自然科学基金（Nos. 21561026, 21802078, 21361020）、“化学工程与技术”一流学科“煤基储能与光电催化材料”科研创新团队项目(Grant No. NXY-LXK2017A04)和宁夏自然科学基金等项目资助。