标题：Atomically Dispersed Iron Metal Site in aPorphyrin-Based Metal−Organic Frameworkfor Photocatalytic Nitrogen Fixation

第一作者：Shanshan Shang

通讯作者：Qinfen Gu, Michael K. H. Leung,and Jin Shang

通讯单位：香港城市大学，澳大利亚同步加速器（ANSTO）

研究内容

氨（NH3）是一种重要的化学物质，因此非常需要实现高效的批量生产。目前最先进的大规模NH3生产是利用氮气(N2)和氢气(H2)进行Haber-Bosch反应，它提供了大约90%的NH3。然而，这一过程是在恶劣的条件下进行的，即由于能源输入来自化石燃料的燃烧，使其相当能源密集和环境不友好。大约2%的人为能源被消耗，每年释放400吨二氧化碳来维持NH3的生产。在这方面，在温和的条件下通过N2固定有效地产生NH3的替代和可持续的方法是非常可取的，以缓解日益紧迫的能源危机和环境问题。

金属有机框架(MOFs)是开发具有高密度原子分散活性金属位的多孔光催化剂的理想平台。MOFs是由金属簇节点和有机连接体构成的，由于其在多孔性和化学功能方面的丰富设计灵活性，近年来在气体分离、储存、传感和催化等方面受到了广泛关注。将人工光合作用的基本步骤整合到单一材料的能力释放了MOFs在光催化水分解、二氧化碳减排和污染物降解等方面的潜力。

在这里，作者开发了基于卟啉的MOF（PMOF）作为NRR光催化剂，结合了叶绿素和固氮酶两种天然分子的优点，其特征在于卟啉配体作为光敏剂，可有效收集光，并且具有明确的高光催化活性。

要点一：

受一种生物分子叶绿素的启发，以卟啉结构作为光敏剂和以铁原子作为N2还原反应(NRR)的有利结合位点的酶固氮酶。PMOF的特点是铝(Al)作为金属节点，具有较高的稳定性，Fe在每个卟啉环上的加入和原子分散，促进了对N2的吸附和活化，分别为82%和50%，与MOF基NRR催化剂的性能相当。

要点二：

三次光催化NRR实验结果证实了Al-PMOF(Fe)具有稳定的光催化活性。实验和理论结果表明，Al-PMOF(Fe)中的Fe-N位点是光催化活性中心，可以缓解光催化NRR中速率决定步骤的困难。

要点三：

建立了NRR在Al-PMOF(Fe)上可能的反应途径。并且作者对基于卟啉的MOF光催化NRR的研究将为人工光合催化剂的合理设计提供见解。

参考文献：

Shanshan Shang, et al, Atomically Dispersed Iron Metal Site in a Porphyrin-Based Metal-Organic Framework for Photocatalytic Nitrogen Fixation, ACS Nano, 2021.

DOI：10.1021/acsnano.0c10947