《Angew. Chem. Int. Ed.》：仿生亲气-疏水Janus界面助力双功能电化学固氮

Bio-Inspired Aerobic-Hydrophobic Janus Interface on Partially Carbonized Iron Heterostructure Promotes Bifunctional Nitrogen Fixation

Wei Zong‡, Haiqi Gao‡, Yue Ouyang‡, Kaibin Chu, Hele Guo, Leiqian Zhang, Wei Zhang, Ruwei Chen, Yuhang Dai, Fei Guo, Jiexin Zhu, Zhenfang Zhang, Chumei Ye, Yue-E Miao,* Johan Hofkens, Feili Lai,* Tianxi Liu*

Angewandte Chemie 2023, DOI: 10.1002/anie.202218122

氨和硝酸盐是人类社会最基本且必不可少的两大化工原料。然而，迄今为止，工业合成氨和硝酸盐的Haber-Bosch和Ostwald工艺的生产条件都极为苛刻且需消耗大量能源，同时还伴随着有害气体大量排放等问题。电化学氮还原反应（NRR）和氮氧化反应（NOR）是利用可再生电能在常温常压的条件下生产氨和硝酸盐的新兴技术，有望作为替代Haber-Bosch工艺和Ostwald工艺的有效途径，为解决当前严峻的能源和环境问题提供新的思路。然而，水系固氮过程的转换效率和选择性不尽如人意，其主要原因在于N₂在水溶液中极低的溶解度，以及强竞争性的析氢反应（HER）或析氧反应（OER），这些问题都严重限制了电化学固氮的发展及实际应用。

近期，江南大学化学与材料工程学院刘天西教授课题组基于水生蜘蛛所具有的“腹部绒毛效应”（即，水生蜘蛛腹部疏水绒毛的独特生理结构可用于高效的气体固定），报道了一种具有亲气-疏水Janus界面的双功能固氮（NRR和NOR）电催化剂。通过利用具有疏水特性的1H, 1H, 2H, 2H-全氟癸硫醇（pFDe）分子对负载铁/碳化铁异质结纳米颗粒的多孔碳纳米纤维进行表面修饰。由于pFDe分子良好的疏水性和其与N₂之间的强范德瓦尔斯（vdW）相互作用，可以抑制水分子在催化剂内部的扩散和吸附，同时有助于N₂在催化剂内部的扩散和储存。因此，亲气-疏水的Janus界面在催化活性位点周围形成了一个稳固的准“固-气”反应微区，有效抑制了竞争性的HER和OER反应。该催化剂在双功能电催化固氮反应（NRR和NOR）中展现了优异的氮转化产率和良好的法拉第效率，为高效、高选择性的固氮电催化剂的设计和开发提供了新的见解。

论文连接：https://doi.org/10.1002/anie.202218122

仿生亲气-疏水Janus界面助力双功能电化学固氮的机理示意图