01【导读】

电催化氮还原反应 (NRR) 作为一种将氮 (N2) 固定为氨 (NH3) 的无碳方法正在兴起，有利于缓解工业 Haber-Bosch 方法的高能耗和重污染。先进电催化剂的良好设计和制备是实现优异催化性能的最重要因素。最近，金属有机框架（MOF）因其发达的孔隙、大的表面积和具有原子水平可调节性的定制结构而引起了人们对电催化 NRR 到 NH3 的兴趣。

02【成果掠影】

近日，天津师范大学He Hongming等发表了评述性论文，介绍了 MOF 及其衍生物作为 NRR 催化剂的全面概述，并对一些代表性实例进行了批判性讨论。此外，作者还提出了在环境条件下优化基于 MOFs 的 NRR 电催化剂的挑战和前景。

相关综述文章以“Recent advances in metal–organic frameworks and their derivatives for electrocatalytic nitrogen reduction to ammonia”为题发表在Coordination Chemistry Reviews上。

03【核心内容】

近年来 MOFs 及其衍生物在温和电催化 N2 还原为 NH3 方面的最新进展，包括可能的催化机制、深入了解 NRR 过程中中间体的原位测试技术、构建高性能催化剂的不同合成策略，以及MOFs相关材料的优缺点。MOFs及其衍生材料具有高密度的催化位点、丰富的催化种类、大的比表面积、良好的可设计性以及可控的电子结构和微环境，在温和条件下对N2-to-NH3表现出良好的催化活性。尽管人们致力于在温和条件下优化 N2 的吸附和活化能力，但目前的电催化 NRR 性能仍远未达到工业化和大规模合成 NH3 的水平。美国能源部 (DOE) 的 ARPA-E REFUEL 计划制定了一个明确的电化学 NH3 合成目标，即实现 90 % 的法拉第效率和 10−6 mol·s−1·cm−2 的 NH3 产率，电流密度为 300 mA·cm−2，能量效率为 60 %，1000 h 降解率为 0.3 %。许多因素直接影响 NRR 催化效果，例如 N2 压力、温度、电解质、催化剂、电池配置、工作/参比电极和离子交换膜。电催化剂无疑是最关键的因素之一。

MOFs 及其衍生物展示了巨大的新兴平台，可以通过 N2 还原获得用于 NH3 合成的高效电催化剂。但是，目前的研究还处于初步阶段，与实际需求相去甚远。有必要开发有效的手段来优化 MOFs 及其衍生物的构成、结构、形貌、电解质和自支撑电极，以显着提高中等条件下的电化学 N2-to-NH3 性能，包括 NH3 产率、FE、选择性、大规模合成、稳定性以及高电流密度。此外，基于理论计算和原位表征的潜在 NRR 催化机理需要进一步研究，这将有助于指导催化剂设计的未来趋势。随着化学、物理、材料科学工程和计算科学各个领域的快速发展和交叉合作，MOFs 及其衍生物作为电催化剂将被积极开发用于环境 NH3 电合成。

04【数据概览】

图一、MOFs及其衍生物电催化N2制NH3。© 2022 The Authors

图二、电催化 NRR 机制。© 2022 The Authors

文献链接：Recent advances in metal–organic frameworks and their derivatives for electrocatalytic nitrogen reduction to ammonia. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2022.214761