自Haber-Bosch工业合成氨工艺发明以来一直是产氨的主要方法，鉴于氨的用途广泛，需求量日益增大，其对化石燃料的依赖和环境污染问题日渐突出。因此，亟需寻找一种能源可持续的可替代传统合成氨方法的新型产氨技术。目前，由于电化学合成氨机理清晰，能源可再生，可打破动力学限制等优点受到了科学家们广泛认可，被认为是最有潜力的在常温常压条件下的新型合成氨方法之一。由于N≡N键能较高（940.95 kJ/moL）成键稳定，因此在电催化合成氨过程中最关键的核心技术是设计制备高催化活性的电催化剂。当前多种贵金属，过渡金属和非金属被科学家们用于电催化固氮研究，就目前而言，降低催化剂的制备成本、提升氨合成率和法拉第效率依然是科学家们开发新催化剂的目标。
在非金属催化剂的研究中，杂原子掺杂非金属材料作为新的催化剂研究方向吸引了众多科学家的关注。根据研究结果表明，由于杂原子的掺杂，原材料结构形成一定程度的晶格畸变，造成了更多的缺陷导致杂原子附近的被掺杂原子的电子结构的改变，从而提高材料的催化活性。而由于硫在自然界中储量高，成本低，且理论比容量高，与碳原子的电负性相近等特点，被认为是合适的非金属掺杂元素之一。但是，硫导电性差，因此需要为其提供高效的导电型载体，三维石墨烯不仅具有石墨烯的高导电性，还具有三维立体网络，构建交联的导电网络为氮气还原提供源源不断的电子，并且丰富的比表面积可为氮气的吸附提供更多的活性位点，从而促进氨产率和法拉第效率的提升。
太原理工大学的王爽教授和李晋平教授合作，通过浸渍法，在低温下将硫元素掺杂到三维石墨烯凝胶中，设计制备了具有三维立体结构的S-3DG无金属催化剂应用于电催化固氮。通过对催化剂SEM和EDS分析，可以直观反映出硫元素在催化剂中是均匀分布的。拉曼图谱表明硫的掺杂增加了三维石墨烯的无序度，缺陷的增加为氮气的吸附还原提供了更多的活性位点。结合XPS图谱分析，充分证实了硫以C-S键的形式存在于催化剂中，杂原子硫的掺杂通过改变掺杂位置附近的碳原子的电子结构来改善三维石墨烯的导电性能和催化活性。由于三维石墨烯的高物化稳定性，使催化剂在20 h的电化学反应中电流密度保持稳定没有明显下降。通过六次连续循环产氨测试结果分析表明，催化剂循环性能良好。此项研究丰富了电化学合成氨的非金属杂原子掺杂催化剂的研究，为非金属催化剂的设计制备提供了新思路。
相关论文发表在Dalton Transactions (Dalton Trans., 2020, 49, 2258-2263),王爽教授和李晋平教授为共同通讯作者，博士研究生王金为第一作者。https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/DT/2020/C9DT04827H
