近日，我校材料科学与工程学院吴玉程教授课题组在电催化碳氮小分子转化领域取得最新进展，相关研究成果“Atomic-Scale Tailoring C-N Coupling Site for Efficient Acetamide Electrosynthesis over Cu-Anchored BN Nanosheets”发表在国际著名学术期刊《ACS Nano》上。

有机氮化合物是人类活动不可或缺的一部分，广泛应用于工业、农业、医疗和卫生领域。酰胺，如尿素、甲酰胺和乙酰胺，是一类重要的有机氮分子，是合成材料、生物活性化合物和有机合成的基础原材料。传统合成乙酰胺的方法是能源密集型，需要复杂且昂贵的设备以及苛刻的反应条件。在环境条件下通过可再生电力驱动的电催化反应是一种合成乙酰胺的有效方法，有望替代传统合成工艺，对实现碳中和战略目标具有重要意义。然而，目前电催化合成乙酰胺的主要挑战是催化剂与产物之间构-效关系不明确，导致乙酰胺的产率和选择性较低。

针对上述问题，研究团队成员王岩教授、张剑芳博士后和博士生夏帅等采用具有原子尺度Cu分散的氮化硼（Cu/BN）纳米片共还原CO和NO₃^-，升级C-N偶联反应，实现乙酰胺的高效电催化合成。通过调控Cu在BN中的存在形式，如单原子（SA）、纳米团簇(NCs)和纳米颗粒(NPs)，能够有效调节Cu/BN的电子结构，控制Cu和B活性位点对CO和NO₃^-的吸附能力，提升乙酰胺的选择性与产率。

结合原位FTIR和理论计算分析证明，Cu NCs和BN之间的强电子相互作用可以有效激活Cu和B位点，增强对CO和NO₃^-的吸附，促进关键中间体*CCO和*NH₂的形成。在Cu NCs/BN上产生高表面覆盖率的*CCO和*NH₂中间体，显著降低了C-N偶联的反应能垒，从而加速了乙酰胺的生成。这项研究为原子结构催化剂的设计提供了有效见解，突出了它们在电催化C-N偶联反应生产高附加值化学品方面的潜力。

图1 电催化合成乙酰胺性能

图2 电催化C-N偶联机理

该课题组围绕低维金属基纳米材料的可控制备和电催化小分子转化性能调控方面开展了系列研究工作。通过开发一种低温介导液相剥离工艺制备出两种不同尺寸和厚度的二维Bi₂Se₃纳米片，深入探究了二维超薄Bi₂Se₃纳米片在电催化C-N偶联过程中原位生成富晶界Bi纳米片的动态重构规律。研究发现，重构形成的丰富晶界显著降低了*CO和*NH₂的形成能和C-N偶联能垒，促进高效电催化合成尿素(Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202318589)。进一步通过低温介导液相剥离非层状金属铜粉，合成了尺寸依赖的高活性铜量子点催化剂，可用于高效电催化CO₂还原。结果表明，5 nm尺寸的Cu量子点具有丰富的CO₂吸附和质子化活性位点，可以有效地将CO₂转化为*CO中间体，提高电极表面局部CO覆盖率，从而促进C-C耦合生成C₂H₄(Adv. Funct. Mater.,2024,241776)。上述工作提出的低温介导液相剥离工艺在制备低维金属基纳米材料方面具有一定优势，为提升电催化小分子转化性能提供了新的思路。

上述研究全面依托先进能源与环境材料国际科技合作基地、清洁能源新材料与技术学科创新引智基地（111计划）、安徽省先进纳米能源材料国际科技合作基地、先进功能材料与器件安徽省重点实验室等高水平科研平台，相关研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省重点研发计划项目、安徽省自然科学基金、中国博士后基金、中央高校基本科研业务费专项等支持。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c14039

（王岩/文 张剑芳/图 罗来马/审核）

责任编辑：卫婷婷