近日，环资院、碳中和学院余兵教授领衔的环境功能材料团队在国际顶尖期刊《Angewandte Chemie》（中科院1区Top，IF=16.8）在线发表题为“A Metal–Sulfur–Carbon Catalyst Mimicking the Two-Component Architecture of Nitrogenase”（模拟氮酶双组分结构的金属-硫-碳催化剂）的研究论文。浙江农林大学为该论文第一单位和通讯作者单位。该团队2021级硕士研究生夏浚凯为第一作者，环资院、碳中和学院余兵教授为该论文的通讯作者。
单原子催化剂（SACs）的合理设计已经成为多相催化的新兴领域。在众多最先进的SACs中，金属-硫-碳（M-S-C）材料成为最常见和最有代表性的材料，与天然酶的相似性使其在催化领域具有广阔的应用前景。研究表明，M-S-C材料的结构可调性高，在各种反应中具有潜在优势。然而，模拟天然酶的活性位点对于复杂的催化反应（如氨合成）仍是不够的。自然界中的氮固定和硝酸同化过程涉及复杂的酶系统，这些酶系统具有高度的结构和功能特异性。因此，理想的M-S-C催化剂应借鉴天然酶的结构特点，以实现更高效的催化性能。
该团队设计了一种由两种酶的结构酶学启发的双组分M-S-C催化剂，并通过表征和机制探究实验进一步探索了其结构依赖性，以通过电化学硝酸还原（NitRR）合成氨。我们观察到，只有当Ru SAs和NPs共存时，催化剂才能达到最高性能。这种（SAs + NPs）/S-C表现出显著的NH3产率约为~37 mg L-1h-1和法拉第效率约为~97%，持续超过200小时，并且超过了大多数报道的电催化剂。实验和理论研究揭示了Ru SAs与S配位在促进HONO中间体的形成和随后在相邻Ru NPs上的还原反应中的关键作用。因此，S-C负载的NPs与SAs之间的协同作用与双组分氮化酶催化作用表现出显著的相似性。这项工作扩展了SACs的构型空间的限制，并有助于氨合成催化剂的合理设计。
该论文得到国家自然科学基金项目、浙江省教育厅一般项目、以及浙江农林大学人才启动项目的资助。
(环资院、碳中和学院 夏浚凯)
