近年來，電化學氮氣（N₂）還原反應（NRR）用于更經濟和可持續發展的氨（NH₃）合成已經引起了廣泛的關注。然而，較高的NN化學鍵解離能（940 kJ mol^-1）、較低的N₂分子水溶性（20 mg L^-1）和競爭性析氫反應是目前惰性N₂分子在環境條件下活化和轉化為NH₃的巨大挑戰。其中開發高效、穩定的電合成NH₃催化劑至關重要。最近，過渡金屬（Fe、Co、Ni、Mo、Zn等）單原子配位氮原子共同錨定的納米碳材料（TM-N_x/C），引起了人們的廣泛關注。該TM-N_x/C結構不僅有利于活化吸附的N₂分子，而且由于其獨特的電子結構使其具有較高的NRR電催化本征活性。然而遺憾的是，由于電化學NRR反應涉及了一個多電子轉移與N₂-NH₃的多質子轉移耦合過程，導致目前所報道的大多數TM-N_x/C催化劑仍然存在著反應動力學緩慢的問題，嚴重阻礙了其實際應用。

從動力學角度來看，電化學NRR過程主要包括以下三個步驟：(1) 吸附過程: N₂ + * → *N₂, (2) 加氫過程: *N₂ + *H → *NNH → *NHNH → *NHNH₂ → *NH₂NH₂ → *NH₂NH₃ → *NH₂ + NH₃ → *NH₃, (3) 脫附過程: *NH₃ → * + NH₃。與吸附和脫附過程相比，加氫過程過程中的*N₂物種與質子結合的高勢能壘，顯著限制了NRR反應動力學，因此通過質子化過程形成關鍵的*NNH中間體通常被視為整個反應的決速步驟，。盡管當前在促進N₂分子吸附和活化方面取得了一定的研究進展，但目前很少有研究嘗試通過活化水解離步驟來促進緩慢的質子化過程，加速形成關鍵反應NNH中間體，從而有效地加快質子供給速率。因此，需要迫切開發通過合理設計增強質子供給動力學速率的TM-N_x/C電催化劑，以提高NRR反應的整體催化性能。

近日，浙江大學化工學院侯陽研究員和紐約州立大學布法羅分校武剛教授在過渡金屬Fe單原子電催化N₂還原反應的研究中取得了重要進展。

研究團隊通過有效的靜電紡絲熱解策略開發了一種含有本征碳缺陷的Fe單原子錨定的多孔氮摻雜碳納米纖維（D-FeN/C）電催化劑。

電催化NRR性能結果表明，D-FeN/C催化劑在-0.4 V應用電勢下，NRR的法拉第效率（FE）達到了15.8%，NH₃產率高達～24.8 μg h^?1 mg_cat^?1，其性能優于其他文獻所報道的基于單一Fe位點的NRR電催化劑。

詳細的結構表征和對照實驗表明與四個N原子配位的單個Fe原子位點對NRR反應具有高度的本征活性。更重要的是，實驗結果表明相鄰的本征碳缺陷通過促進水解離的活化，以加速N₂質子化過程中發揮了關鍵作用。另外密度泛函理論計算結果表明，具有相鄰固有碳缺陷的原子級分散Fe活性位點降低了N₂質子化過程的自由能勢壘，加速了質子耦合NRR反應動力學，貢獻了高效的NRR催化活性。

該研究工作不僅對電催化合成NH₃反應指明了新的方向，而且對制備單原子過渡金屬-氮結構為基礎的具有本征碳缺陷的納米碳材料具有一定的指導作用。相關工作已發表于Advanced Functional Materials (10.1002/adfm.202205409)上。論文第一作者為化工學院博士生孔燕。