合肥工業大學材料科學與工程學院吳玉程教授課題組在電催化碳氮小分子轉化領域取得最新進展，相關研究成果“Atomic-Scale Tailoring C-N Coupling Site for Efficient Acetamide Electrosynthesis over Cu-Anchored BN Nanosheets”發表在國際著名學術期刊《ACS Nano》上。
有機氮化合物是人類活動不可或缺的一部分，廣泛應用于工業、農業、醫療和衛生領域。酰胺，如尿素、甲酰胺和乙酰胺，是一類重要的有機氮分子，是合成材料、生物活性化合物和有機合成的基礎原材料。傳統合成乙酰胺的方法是能源密集型，需要復雜且昂貴的設備以及苛刻的反應條件。在環境條件下通過可再生電力驅動的電催化反應是一種合成乙酰胺的有效方法，有望替代傳統合成工藝，對實現碳中和戰略目標具有重要意義。然而，目前電催化合成乙酰胺的主要挑戰是催化劑與產物之間構-效關系不明確，導致乙酰胺的產率和選擇性較低。
針對上述問題，研究團隊成員王巖教授、張劍芳博士后和博士生夏帥等采用具有原子尺度Cu分散的氮化硼（Cu/BN）納米片共還原CO和NO3-，升級C-N偶聯反應，實現乙酰胺的高效電催化合成。通過調控Cu在BN中的存在形式，如單原子（SA）、納米團簇(NCs)和納米顆粒(NPs)，能夠有效調節Cu/BN的電子結構，控制Cu和B活性位點對CO和NO3-的吸附能力，提升乙酰胺的選擇性與產率。
結合原位FTIR和理論計算分析證明，Cu NCs和BN之間的強電子相互作用可以有效激活Cu和B位點，增強對CO和NO3-的吸附，促進關鍵中間體*CCO和*NH2的形成。在Cu NCs/BN上產生高表面覆蓋率的*CCO和*NH2中間體，顯著降低了C-N偶聯的反應能壘，從而加速了乙酰胺的生成。這項研究為原子結構催化劑的設計提供了有效見解，突出了它們在電催化C-N偶聯反應生產高附加值化學品方面的潛力。
圖1 電催化合成乙酰胺性能
圖2 電催化C-N偶聯機理
該課題組圍繞低維金屬基納米材料的可控制備和電催化小分子轉化性能調控方面開展了系列研究工作。通過開發一種低溫介導液相剝離工藝制備出兩種不同尺寸和厚度的二維Bi2Se3納米片，深入探究了二維超薄Bi2Se3納米片在電催化C-N偶聯過程中原位生成富晶界Bi納米片的動態重構規律。研究發現，重構形成的豐富晶界顯著降低了*CO和*NH2的形成能和C-N偶聯能壘，促進高效電催化合成尿素(Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202318589)。進一步通過低溫介導液相剝離非層狀金屬銅粉，合成了尺寸依賴的高活性銅量子點催化劑，可用于高效電催化CO2還原。結果表明，5 nm尺寸的Cu量子點具有豐富的CO2吸附和質子化活性位點，可以有效地將CO2轉化為*CO中間體，提高電極表面局部CO覆蓋率，從而促進C-C耦合生成C2H4(Adv. Funct. Mater.,2024,241776)。上述工作提出的低溫介導液相剝離工藝在制備低維金屬基納米材料方面具有一定優勢，為提升電催化小分子轉化性能提供了新的思路。
上述研究全面依托先進能源與環境材料國際科技合作基地、清潔能源新材料與技術學科創新引智基地（111計劃）、安徽省先進納米能源材料國際科技合作基地、先進功能材料與器件安徽省重點實驗室等高水平科研平臺，相關研究工作得到了國家自然科學基金、安徽省重點研發計劃項目、安徽省自然科學基金、中國博士后基金、中央高校基本科研業務費專項等支持。