近日，中科院高能所多学科中心核能化学课题组在金属有机框架材料光催化固氮研究领域取得重要进展，相关研究成果日前以“Solar-Driven Nitrogen Fixation Catalyzed by Stable Radical-Containing MOFs: Improved Efficiency Induced by a Structural Transformation”为题发表在国际著名化学期刊德国应用化学(Angew. Chem. Int. Ed.)上。
多学科中心石伟群研究员团队报道了两例基于紫精配体的自由基MOFs材料Gd-IHEP-7和Gd-IHEP-8。此MOFs材料均表现出优异的光催化固氮活性，氨生成速率分别为128和220 μmol h-1 g-1，其中Gd-IHEP-8固氮效率与文献同类材料相比提高了17倍。同时，研究人员首次系统阐释了MOFs材料高效固氮的机理。分析表明，Gd-IHEP-7为基于二维层状结构的多孔框架，在空气中加热后，Gd-IHEP-7会发生二维层状结构向三维孔道结构的转变，进而生成Gd-IHEP-8。两个MOFs材料中紫精配体均以稳定的单自由基形式存在，正是这种稳定的长寿命自由基以及相应的自由基-自由基相互作用， 使得MOFs材料在200-2500nm范围内显示宽光谱吸收，从而实现可见光催化固氮。与Gd-IHEP-7相比，在N2还原过程中Gd-IHEP-8形成的中间体与金属离子周围的氧原子之间会形成更致密的氢键网络，可有效降低体系的自由能，使得Gd-IHEP-8表现出更高的光催化固氮效率。
本工作为MOFs材料的新型固氮光催化剂的设计和开发提供了一种新的策略，并指明了方向。
作为20世纪最重要的发现之一，Haber-Bosch(HB)工艺的产生曾经极大地提高了农作物的产量并推动全球经济发展，到目前为止，HB工艺仍然是工业合成氨的唯一途径。目前探索新型低能耗、环保的合成氨技术具有重要科学意义和工业应用价值，例如通过光催化技术直接合成氨气。金属-有机框架(MOFs)材料因其高结晶性、灵活可调的多孔结构以及易修饰等特性，成为一类极具应用前景的光催化固氮材料。
此项目得到了国家杰出青年基金项目、国家自然科学基金面上项目的资助支持。