我院马祖驹教授课题组在电催化固氮材料的探索研究中取得进展

电催化固氮反应的主要困难来自于牢固的N≡N键在反应中很难被打破。此前，大量研究表明高度局域化的自旋磁矩有利于活化N₂分子，弱化N≡N键，进而加快氮还原进程。

鉴于此，在国家自然科学基金（No. 21771182, 21501177 和21673240）的资助下，烟台大学马祖驹教授与斯威本科技大学孙成华教授及闽江学院洒荣建副研究员合作，对近期发现的二维铁磁材料Fe₃GeTe₂的电催化固氮能力进行了理论探索。经过DFT计算及分子动力学模拟，团队首次报道了含Te缺陷的二维铁磁材料Fe₃GeTe₂是一个潜在的具有高催化活性及高选择性的固氮材料。同时发现在该表面上进行的固氮反应（N₂ + 3H₂ = 2NH₃）的六个氢化过程皆为自发的放热反应，如图1所示。二维单层Fe₃GeTe₂表面形成Te缺陷后，表面裸露的[Fe₄]原子基团的磁矩增大，引起Fe 3d电子反哺给N₂分子的π_2p^*反键轨道，从而在价带顶形成部分占据的π_2p^*轨道，如图2所示。这一步对弱化N≡N键起到关键作用。此外，我们对表面析氢反应、表面缺陷浓度、表面水分子环境等因素对该固氮反应的影响进行了计算与分析。该工作扩展了二维铁磁材料在能量转换领域的应用。

图1，含Te缺陷Fe₃GeTe₂的N₂还原过程。

图2，(a) 自由N₂分子轨道；(b) 含Te缺陷二维铁磁材料Fe₃GeTe₂的Fe 3d轨道投影态密度；含Te缺陷二维铁磁材料Fe₃GeTe₂吸附N₂分子构型中的Fe 3d和N 2p轨道投影态密度 (c)，及N-N键的Crystal Orbital Hamilton Population (COHP) (d)。按照惯例，-COHP的数值为正表示成键，为负表示反键。

    相关结果发表在《J Mater Chem A》上（Ma, Z.*; Xiao, C.; Cui, Z.; Du, W.; Li, Q.; Sa, R.*; Sun, C*. J. Mater. Chem. A, 2021,9, 6945-6954），烟台大学环境与材料工程学院为第一通讯单位。