最新一期【研发信息汇总】已发布↓↓↓

一周研发资讯汇总（20260216-20260222）

欢迎点击浏览，参与投票，决定更新内容

↓↓↓文章末尾获取原文链接↓↓↓

本文1514字，阅读约需6分钟

摘要：研究小组设计并合成了一种[8+2]连接型三维共价有机框架（COF）——“TU-82”，并通过在其内部精确引入铁（Fe），开发出一种能够高效、高选择性地从硝酸根离子合成氨的新型电极催化剂：法拉第效率（FE）高达88.1%，氨生成速率为2.87mg h⁻1 cm⁻2。

关键词：三维COF、催化剂、eNO3⁻RR反应、能垒、绿氨合成

要点

成功地将此前主要局限于二维结构的共价有机框架（COF）扩展到高维的三维结构，并将其应用于电化学硝酸根离子还原反应（eNO₃⁻RR）。
通过将铁（Fe）精确配位于[8+2]连接型三维COF（TU-82）中，开发出一种能够以高达88.1%的选择性从硝酸根离子合成氨（NH₃）的高性能电极催化剂。
理论计算表明，铁中心稳定了反应中间体（NHO^*），并显著降低了反应速率决定步骤的能垒。

【概要】

氨（NH₃）不仅是一种重要的肥料和化工原料，而且作为一种燃烧时不排放二氧化碳的下一代能源载体而备受关注。然而，采用传统的哈伯-博施法合成氨需要高温高压条件，这会消耗大量能源并排放CO₂。

另一方面，农业排水和工业废水中含有的硝酸根离子（NO₃⁻）是导致水污染和富营养化的有害物质。将硝酸根离子电化学还原为氨的“电化学硝酸根离子还原反应（eNO₃⁻RR）”，作为一种可同时实现环境净化与资源回收的可持续技术而备受关注。

研究小组设计并合成了一种[8+2]连接型三维共价有机框架（COF）——“TU-82”，并通过在其内部精确引入铁（Fe），开发出一种能够高效、高选择性地从硝酸根离子合成氨的新型电极催化剂。特别是，引入铁的“TU-82-Fe”表现出优异的性能，其法拉第效率（FE）高达88.1%，氨生成速率为2.87mg h^⁻¹cm^⁻²。

本研究首次为使用三维COF的硝酸还原催化剂提供了完整的设计指南，有望为实现可持续的氮循环利用社会做出贡献。

研究背景与经过

氨是支撑全球粮食生产和化学工业的重要物质，同时也是一种重要的氢载体。然而，目前主流的哈伯-博施法能耗高，是温室气体排放的主要原因之一。

另一方面，农业和工业废水中含有的硝酸根离子会导致水污染，对饮用水安全和生态系统造成不良影响。将其电化学还原为氨，是一种可同时实现环境净化和资源回收的理想工艺（图1）。

图1. 使用三维共价有机框架（COF）TU-82进行电化学硝酸根离子还原反应（eNO3-RR）合成氨（NH3）的示意图。图中显示了农业排水和工业废水中的主要污染物——硝酸根离子（NO₃⁻）通过嵌入三维COF TU-82骨架的金属–联吡啶催化活性位点，在常温常压条件下转化为高附加值的NH3的过程。

迄今为止，金属纳米颗粒、单原子催化剂和分子催化剂等已被研究用作硝酸还原催化剂，但在活性位点的结构控制和反应选择性方面仍存在课题。

共价有机框架（COF）是一种兼具结晶性和多孔性的有机材料，其重要特征在于能够精确配置金属活性位点。然而，目前用于硝酸还原的COF大多局限于二维结构，三维COF的应用仍有待深入研究。

研究内容

本研究通过将具有8个官能团的立体分子块与可双齿配位的联吡啶分子相结合，合成了一种[8+2]连接型三维COF（TU-82）。该结构形成了一种被称为“bcu拓扑”的三维网络，表现出高结晶性和稳定性（图2）。

图2. 具有[8+2]连接型非互穿bcu拓扑结构的TU-82示意图；以及通过向联吡啶位点引入金属，形成以单原子铁（Fe）或铜（Cu）为活性位点的TU-82-Fe和TU-82-Cu的过程。

此外，通过在TU-82内部的联吡啶位点配位铁（Fe）或铜（Cu），研究小组制备了具有金属活性位点的TU-82-Fe和TU-82-Cu。

电化学测量结果表明，TU-82-Fe尤其能够以极高的效率从硝酸根离子中产生氨，法拉第效率最高可达88.1%。副产物如亚硝酸根离子或氢气的生成受到抑制，证实了其高选择性（图3）。

图3. eNO-RR中TU-82-Fe和TU-82-Cu的法拉第效率（FE）及氨生成速率（NH3产率）。特别是TU-82-Fe在常温常压条件下显示出较高的NH3选择性和生成速率。

密度泛函理论（DFT）计算表明，铁中心稳定了反应中间体NHO，使得速率决定反应“NO→NHO^*”的能垒非常低，仅为0.354eV。这被认为是TU-82-Fe高活性和高选择性的起源。

未来展望

本研究是一项开创性成果，将三维COF这一新型材料设计概念应用于硝酸根离子还原反应。未来，通过引入其他金属元素和优化结构设计，有望在性能提升和实际应用方向开展进一步研究。

本技术有有望成为一项重要的基础技术，为水净化、绿氨的生产以及实现可持续的氮循环社会做出贡献。

https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20260206_02web_.pdf

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2026/ta/d5ta07989f

（1）资讯定制

对于本文章中提到的技术，有海外相关技术信息（行业资讯、技术报告、专利信息等）扩展搜集需求的，欢迎留言区留言，或联系邮箱【info#aipatent.com（注明“资讯定制”） *发送邮件时请将“#”替换为“@”】了解详情。

（2）征稿启事

应部分读者建议，本公众号现开放投稿，面向企业及科研机构人员征集稿件，可以分享技术信息、学术类论文、科研成果以及研究见解等。

投稿请发送至邮箱：support#aipatent.com（请注明“AIpatent公众号来稿”） *发送邮件时请将“#”替换为“@”

利用三维多孔材料从硝酸中合成绿色燃料