通讯单位：吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室
论文DOI：10.1021/acscatal.1c05687
在原子尺度上理解异相催化剂体系中的构效关系对理性设计催化剂具有重要指导意义。吉林大学邹晓新课题组以一大类含有金属配位单原子硼位点的反钙钛矿型硼化物(M3M′B)为模型，研究了以硼为中心的局部环境对N2到NH3催化转化的影响，发现：(1)表面孤立的硼原子对于氮气的吸附和活化十分重要，而与其直接配位M原子的类型决定了氮气的吸附构型；(2)M原子与孤立的硼原子协同稳定含氮中间体，而不与硼直接相连的M'原子间接调节单原子硼位点局部环境的电子结构，从而影响催化活性；(3)G*N可以用作氮气还原反应活性的描述符，其除了与M原子和硼原子的固有的电子性质外，还与M和硼原子之间的轨道杂化有关；(4)预测Rh3GeB、Rh3SbB和Ni3LiB是具有超过合成氨的重要基准表面stepped Ru(0001)的高活性催化剂。氨是农业和化学工业中最重要的原料之一，主要由纯氢气和氮气在高温高压的条件下通过传统的Haber−Bosch工艺合成，其中过渡金属催化剂起到了重要的作用。过渡金属基催化剂的优异性能归因于：(1)存在空的d轨道，可以接受氮气的孤对电子；(2)存在占据的d轨道，可以向氮气的反键轨道反馈电子以削弱N-N键。而在主族元素中，硼是一种类金属元素，最外层电子分布为2s2p1,在同一原子上同时具有占据的轨道和空轨道，具有类似过渡金属的催化功能。虽然关于硼原子可以活化氮气分子已得到理论和实验科学家的广泛共识，但关于硼位点的局部化学环境对氮气活化和转化的影响的认识非常有限。我们通过大量的文献调研发现，具有反钙钛矿结构的硼化物M3M′B的001表面，具有单原子硼位点这一特性(图1)：硼原子和M金属原子位于顶层，且硼原子在空间上被M原子隔开。而另外一种M′金属原子位于次表层，且不直接与硼原子键合。实验上也有一系列报道合成此类结构的硼化物，其组成的金属元素种类覆盖较广，有利于研究硼位点的局部化学环境对氮气活化和转化的影响。我们理论构建了61 × 60种不同M和M′组合的M3M′B，利用高通量密度泛函理论(DFT)计算了它们的形成能来预测其热力学稳定性，覆盖第二至第六周期的所有非放射性金属元素。发现了478种理论上稳定的M3M′B，主要为两种类型(图2)：(1) M'为IA族到VB族元素和M为VIII族到IB族元素的组合(区域 II)；(2) M'为VIII族到VA族元素和M为II A族到VB族元素的组合(区域 IV)。其中47种实验上已知的结构全部位于理论稳定区。▲图3 M3M'B(001)表面氮气的吸附能分布图
接下来，我们计算了这478种稳定的M3M′B(001)模型表面上的单硼位点的氮气吸附能，考虑了两种吸附构型(end-on构型和side-on构型)。计算结果确定了358种稳定的氮气吸附表面，且氮气吸附的稳定构型与M原子的类型密切相关(图3)。当M原子为后过渡金属(Ni等)时，end-on吸附构型稳定。这类M3M′B中的M′的电负性较小，而M的电负性与B接近，结果B原子带正电荷或略带负电荷。因此，B位点具有更强的接受来自氮气分子的孤对电子的能力。而当M原子为碱土金属、前过渡金属和镧系元素(Sr，Zr，La等)时，side-on吸附构型稳定。这类M3M′B中的M′的电负性与B接近，而M的电负性较小，结果B原子带负电荷，M带正电荷，M与孤立的B原子协同地接受氮气分子的电子。为了进一步研究具有这两种吸附构型的表面的电子结构，我们以Pt3ZrB(001)和Zr3PtB(001)表面为例，计算了吸附前后的态密度(图4)。结果表明，对于具有end-on氮气吸附构型的Pt3ZrB(001)来说，孤立的硼原子的sp轨道与氮气的2π*轨道杂化(sp-π*)，导致吸附氮气的反键轨道被部分占据，N-N键被削弱。而对于具有side-on氮气吸附构型的Zr3PtB(001)表面，锆原子的d轨道和硼原子的sp轨道共同与氮气的2π*轨道杂化(dsp-π*)，氮气的活化程度更强。这表明硼和M原子协同参与了氮气的活化过程。我们进一步根据不同的吸附构型，研究了这358种表面四种机理的NRR过程的极限电势。总的来说，具有end-on氮气吸附构型的M3M'B(001)表面的活性优于side-on氮气吸附构型的表面(图5)。其中十六种M3M′B(001)表面的极限电势值小于合成氨的重要基准表面stepped Ru(0001)的电势(-0.43 V)，Rh3GeB(001)表面具有最小的极限电势(-0.33 V)。相比之下，end-on氮气吸附构型的M3M'B(001)表面具有对含氮中间体中等吸附能力，既保证了氮气的有效活化，并且*NH2加氢形成*NH3的过程具有较低的能垒。同样，M原子协同孤立的硼原子在催化转化过程中稳定含氮中间体。▲图6 *N与其他中间体的吸附自由能以及各步反应自由能之间的关系
我们也发现，*N的吸附自由能与其他中间体(*N2H、*N2H2、*NH、*NH2)的吸附自由能呈正相关线性关系(图6)。因此，NRR极限电势与G*N之间存在火山型关系，G*N可以作为NRR反应活性的描述符：当*N吸附较弱时，*N2第一次加氢成*N2H是决速步；当*N吸附较强时，活性受到*NH2形成*NH3的限制；具有高活性的M3M'B(001)表面位于火山顶部附近，对*N具有中等吸附强度。为了揭示在M配位的单硼位点上影响GN*的关键因素，我们以Ni3M'B为例，研究了其表面的几何和电子结构(图7 a, b)。我们发现不同的M'元素对应不同的Ni-B键长，而不同Ni-B键长与Ni-B键的杂化强度(-ICOHP)之间存在线性相关性。同时，G*N值几乎随着Ni-B键长的增加呈线性下降。而单独的M原子和B原子的电子特性发现与GN*无关。这表明M-B键的杂化强度影响了*N中间体的表面化学吸附强度，而不是M和B原子的固有电子特性。为了进一步揭示M和B原子杂化对GN*值的关键作用，我们研究了四组M3M'B(001) 表面。在每一组中，M'元素是固定的，而M元素是来自元素周期表同一族的不同金属。我们发现在M原子的d带和B的p带的电子数变化不大的情况下，随着M原子半径的增加，M-B的杂化程度变大，而*N的吸附变弱(图7 c)。而对于M'元素是固定的，M元素是来自同一周期的不同金属的情况下，不同表面之间的M原子的d带填充电子数变化很大，G*N值与d带填充电子数密切相关(图7 d)。上述结果表明，不仅B和M原子直接参与含氮中间体的吸附，而且M'原子在吸附性质的调节中起间接作用.我们通过研究一系列含有金属配位单硼位点的反钙钛矿型硼化物模型，揭示了以硼为中心的局部环境对N2到NH3催化转化的影响。虽然氮气的吸附和活化依赖于表面孤立硼原子的存在，但其吸附构型与配位M原子的类型密切相关。M原子和孤立的硼原子协同参与稳定含氮中间体，M'起间接作用调节了M-B的杂化强度，从而控制*N中间体的表面化学吸附和催化活性。并预测了一种高活性的非贵金属Ni3LiB(001)合成氨表面。本文报道的结果有助于未来的合理设计和含非金属活性中心的单原子催化剂的应用。邹晓新，吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室教授、无机化学系主任，主持基金委优秀青年科学基金项目，入选国家“万人计划”青年拔尖人才和化学会“青年人才托举工程”计划。长期从事氢能源材料化学研究，旨在通过交叉无机固体材料的结构化学、合成化学及催化化学，揭示材料设计与性能的原子结构基础，发展新型催化材料。在 JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Nat. Commun.等学术刊物上发表 SCI 论文80余篇。http://www.zouxxgroup.com/https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c05687
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