近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员章福祥、肖建平团队，在双原子电催化剂（DACs）理性设计与构筑方面取得进展。团队基于具有优异导电性和水稳定性的金属有机框架材料（cMOF），通过对铜-镍双原子活性中心的精准调控，实现了在工业级电流密度下，接近100%选择性地高效合成氨，揭示了硝酸根电还原合成氨过程中的协同“接力催化”机制。双原子催化剂凭借双金属活性位点间的协同作用，可有效突破单原子催化剂在多电子反应中的性能瓶颈。然而，DACs在结构均一化、位点精确控制，以及电子结构调节方面仍存在挑战。针对这一难题，研究团队以结构明确、水稳定且导电性能优异的MOF为模型平台，提出并验证了在导电MOF中，实现双原子位点精确构筑与调控的理性设计策略，为发展高效、可扩展的电催化体系提供了新思路。团队合成了一系列CuxNiy-DBCO导电MOF，通过系统调节铜/镍比例，实现了对硝酸根电还原制氨（NO3RR）活性和选择性的精准优化。研究发现，NO3-→NO2⁻（R1）和NO3-→NH3（R2）两个关键反应步骤的相对速率，决定了整体合成氨性能。其中，位点明确、结构均一的Cu98.5Ni1.5-DBCO催化剂实现了100%氨选择性、98.5%法拉第效率，以及200.7mgh-1mgcat-1的高产氨速率。原位光谱表征与密度泛函理论计算揭示，铜位点优先还原硝酸根生成亚硝酸根中间体（NO2-），镍位点可将残余的NO2-转化为NH3，两者形成协同“接力催化”路径，实现高效且选择性突出的NO3-→NH3转化过程。基于该高性能催化剂，研究团队进一步构筑了可充电Zn–NO3-电池，实现了35.6mWcm-2的领先功率密度与优异的同步产氨性能，展示了导电MOF在可再生能源转化与储能领域的应用潜力。太阳能光催化技术，是实现太阳能至化学能转化的重要方式之一，助催化剂的开发是实现高效光化学转化的重要一环。近年来，团队致力于设计合成具有单原子分散的电催化新材料，围绕水氧化、水还原、氧还原、甲烷转化、合成氨及二氧化碳还原等典型反应，开发了系列高性能新材料，有望作为助催化剂构筑高效的太阳能光化学转化体系。相关研究成果发表在《美国化学会志》上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的支持。论文链接研究实现双原子催化位点的理性设计与高选择性电催化合成氨