近日，我所催化基础国家重点实验室理论催化创新特区研究组（05T8组）肖建平研究员团队在二氧化碳和硝酸盐C-N偶联转化为高附加值产物研究方面取得新进展，揭示了CoPc-NH2催化剂上C-N偶联生成甲胺的反应机理。
二氧化碳（CO2）是导致温室效应的主要气体之一，对全球气候变化造成的负面影响不容忽视。电催化CO2还原反应（eCO2RR）制高附加值化学品或燃料是缓解环境和能源问题的一种有效方法。肖建平团队在前期工作中对eCO2RR的反应活性和机理进行了系统研究（Nat. Commun.，2020；Nat. Nanotechnol.，2021；Adv. Mater.，2021；Nat. Commun.，2023；Nat. Commun.，2023；Nat. Commun.，2023）。此外，氮氧化物（NOx）的转化处理也是一种缓解环境和能源问题的方法，肖建平团队在前期工作中提出了电催化合成氨的新路线（Angew. Chem. Int. Ed.，2020），后续又在该方向进行了多维度的研究（J. Phys. Chem. Lett.，2021；ACS Sustain. Chem. Eng.，2022；J. Phys. Chem. Lett.，2022；Nat. Commun.，2023；Chin. J. Catal.，2023）。
电催化NOx和CO2共还原不仅实现了含N和含C废物的同时转化，还通过C-N偶联制备了高附加值化学品，是一种绿色、可持续的物质能源转化方式，也是缓解温室效应以及实现“双碳”目标的重要手段之一。
本工作中，肖建平团队基于自主开发的图论和反应相图分析算法（ACS Catal.，2021）并结合动力学能垒计算，得出CoPc-NH2是所研究的催化剂中生成甲胺活性最高的催化剂，其更倾向于通过解吸的HCHO和NH2OH进行C-N偶联，并发现C-N偶联之后得到的中间体通过PCET脱水过程进行转化比通过分子内脱水转化更有利于后续甲胺的生成。另外，团队通过微动力学模拟理解了电催化二氧化碳和硝酸盐共还原过程中几种产物法拉第效率随电压变化的趋势，并提出增加C-N偶联的两个关键中间体（HCHO和NH2OH）的浓度和分压，可能有助于提高甲胺的选择性。该工作从理论角度为甲胺的产生提供了新的见解，有望为催化剂或反应器设计提供帮助。
相关研究以“Computational Insights on Electrocatalytic Synthesis of Methylamine from Nitrate and Carbon Dioxide”为题，于近日发表在ACS Catalysis上。该工作的第一作者是我所05T8组博士研究生井会娟。以上工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院洁净能源创新研究院合作基金、中国科学院B类先导专项“功能纳米系统的精准构筑原理与测量”、榆林创新院人工智能科技专项等项目的资助。（文/图 井会娟）
