丁彬课题组在纤维状黑磷基双活性催化剂用于室温固氮领域的最新研究成果

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纺织科技创新中心俞建勇院士及丁彬研究员带领的纳米纤维研究团队在纤维状黑磷基双活性催化剂用于室温固氮领域的研究取得重要进展，相关成果以“黑磷量子点在黑二氧化锡纳米管表面的稳定自组装：一种坚固的双活性电催化剂实现高效固氮”（Stable Confinement of Black Phosphorus Quantum Dots on Black Tin Oxide Nanotubes: A Robust, Double-Active Electrocatalyst toward Efficient Nitrogen Fixation, DOI: 10.1002/anie.201908415）为题，发表在化学领域的著名期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上，该论文第一作者为纺织科技创新中心的刘一涛研究员，通讯作者为丁彬研究员。

       通过Haber–Bosch法合成氨奠定了现代有机化工业的基础，然而这一方法依赖高温高压进行人工固氮，能耗高、污染大。在这一背景下，电催化室温固氮应运而生——它是一种可持续、无污染、经济、安全的合成氨新技术。目前室温固氮的催化剂主要采用贵金属，其空的d轨道可以接受N≡N三键的电子从而削弱N≡N三键的键能。然而贵金属稀有的资源和昂贵的价格无法满足工业化合成氨的需求，因此开发高性能、低成本的催化剂在世界范围内已成为研究热点。
       面向这一挑战，研究团队报道了一种新型非金属催化剂——黑磷量子点。为进一步提升其催化性能，他们通过低温还原法合成出富含氧空位的纤维状黑二氧化锡，并通过配位自组装均匀地负载黑磷量子点。黑二氧化锡具有优异的电导率及催化活性，可以作为一种活性基体参与到电催化过程中。此外，Sn–P配位键的形成有利于载流子的界面传输，并能提升结构稳定性。由于二者间的协同效应，所制备的纤维状双活性催化剂表现出显著提升的氨产率（48.87 μg h–1 mgcat–1）及法拉第效率（14.6%）。同时，该催化剂在持续电解12小时后仍具有优异的催化活性，为开发下一代高性能、低成本的室温固氮催化剂开拓了新生面。


      该研究成果得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、纺织面料教育部重点实验室基地建设项目的大力资助。
      论文链接：https://www.onlinelibrary.wiley. ... 1002/anie.201908415


人工固氮长期以来，人们期望着农田中粮食作物能像豆科植物一样有固氮能力，以减少对 化肥的依赖。70年代首先实现了细菌之间的固氮 ... 目前主要在合成氨中实现人工固氮（工业上通常用H2和N2 在催化剂、高温、高压下合成氨，化学方程式：N2 + 3H2=（高温高压催化剂）2NH3）。 所有的含氮化学肥料也主要是由氨加工制成的。
人称这种合成氨方法为"哈伯－博施法"，这是具有世界意义的人工固氮技术的重大成就。 是化工生产实现高温、高压、催化反应的第一个里程碑。合成氨的原料来自空气、煤和水， 因此是最经济的人工固氮法，从而结束了人类完全依靠天然氮肥的历史。

最近，两位希腊化学家，位于Thessaloniki的阿里斯多德大学的George Marnellos和MichaelStoukides发明了一种合成氨的新方法(Science，2Oct．1998，P98)。在常压下，令氢与用氦稀释的氮分别通入一加热到570℃的以锶-铈-钇-钙钛矿多孔陶瓷(SCY)为固体电解质的电解池中，用覆盖在固体电解质内外表面的多孔钯多晶薄膜的催化，转化为氨，转化率达到78%；对比：几近一个世纪的哈伯法合成氨工艺通常转化率为10至15%！他们用在线气相色谱检测进出电解池的气体，用HCl吸收氨引起的pH变化估算氨的产率，证实提高氮的分压对提高转化率无效；升高电流和温度虽提高质子在SCY中的传递速度却因SCY导电率受温度限制，升温反而加速氨的分解。


俞建勇，1964年5月出生。中国工程院院士，东华大学教授，博士生导师。1991年中国纺织大学研究生毕业，获博士学位。长期致力于纺织材料领域的科研与教学，在天然纤维资源开发、化学纤维创制应用、新型结构纱线、纺织复合材料和纺织功能材料等方面开展系列研究工作。突破黄麻纤维精细化与制品加工关键技术，推动天然纤维资源的深度开发与利用；攻克竹浆纤维制造及其产品应用关键技术，促进生物质纤维的产业化发展；研发新型环锭集聚纺技术及加工系统，提升产品高端化发展水平；研发特种纺织复合结构及其成形关键技术，成功应用于新型战略武器系统发展并起到重要作用。获国家技术发明二等奖2项，获国家科技进步二等奖2项；合著书籍3部；发表论文400余篇；授权国家发明专利100多项；指导研究生100余名。

丁彬，1975年5月出生。东华大学纺织学院纺织材料学科研究员、博士生导师，纺织学院副院长,国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心副主任。主要研究成果有：主编中文书籍《静电纺丝与纳米纤维》、主编英文书籍《Electrospun Nanofibers for Energy and Environmental Applications》、合著出版英文书籍11部、在国际核心期刊如：NatureCommunications,ACS Nano, Progress in Materials Science, Nano Today, MaterialsToday, Journal of Materials Chemistry, Nanoscale等期刊共发表SCI论文150余篇(单篇最高影响因子27.4，论文被引用5000余次)、获授权发明专利35项。

刘一涛，男，博士，研究员。2003年毕业于哈尔滨工业大学应用化学系获学士学位，2006年毕业于清华大学化工系获硕士学位，2012年毕业于清华大学化工系获博士学位，2012–2017年在清华大学从事博士后研究，2017–2018年任北京化工大学副教授，2018年9月起任东华大学研究员。