电催化氮还原(NRR)因其温和的反应条件和CO₂零排放的独特优势被认为是一种简单、绿色、可持续的氨生产策略。近几十年来，科研人员广泛研究了各种各样的NRR电催化剂。然而，由于N₂分子固有的热稳定性以及伴随竞争的析氢反应(HER)，电催化NRR通常面临诸如反应活性低和选择性差等缺点，远远不能满足实际应用的需要。最近，二维共价有机骨架(2D-COFs)的新型能源应用引起了科研人员的广泛关注，成为了电催化领域的新前沿材料之一。

2D-COFs作为潜在的能源材料可归因于以下几点：(i)质量相似条件下可提供更多暴露的比表面积、丰富的活性位点、更高的材料强度密度；(ii)高孔隙率有益于底物/产物的扩散，可以加快催化反应速率；(iii)完全π共轭的2D网络结构可以形成优秀的导电通道，有利于提高电导率同时加快电荷传输；(iv)作为载体为嵌入的金属提供各种类型的键合结构，从而发挥出优秀的催化活性。然而，2D-COFs作为NRR电催化剂很少被探究。

近日，东北师范大学苏忠民教授、张珉副教授合作在近期报道的二维本征导电Ni基和Co基共价有机骨架的实验合成启发下，根据密度泛函理论(DFT)计算，研究了一系列稳定的2D 导电TM基共价有机骨架(TM-COFs, TM = Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, W, Ir, Pt, Au)对N₂还原反应的电催化性能，这些COFs由2,3,9,10,16,17,23,24-八胺基金属酞菁与芘-4,5,9,10-四酮的彼此键连而成。计算结果表明，导电的2D-Mo-COF在20种备选催化剂中具有最高的NRR电催化性能，其过电位为0.16 V，并能够有效地抑制竞争性的HER。2D-Mo-COF优异的NRR活性和选择性源于其固有的优势，包括：良好的导电性、Mo原子显著的正电荷和较大的自旋磁矩，以及对NRR反应过程物种的适当吸附强度。

这项工作将促进2D-COF在NNR领域更多的实验研究，以发现更高活性的COF基催化剂，促进未来的NH₃绿色可持续生产。

该工作的第一作者为化学学院2018级博士研究生王聪。

文章链接：

Cong Wang, Ying-Nan Zhao, Chang-Yan Zhu, Min Zhang, Yun Geng, Yang-Guang Li, Zhong-Min Su. A two-dimensional conductive Mo-based covalent organic framework as an efficient electrocatalyst for nitrogen fixation. J. Mater. Chem. A 2020. DOI:10.1039/D0TA08676B

https://doi.org/10.1039/D0TA08676B