研在合工大 | 化学、地质、材料等领域新进展

目录

1.电催化氨氧化领域

2.裂隙细观变形及非线性渗流机理研究

3.电催化碳氮偶联反应合成酰胺领域

01

电催化氨氧化领域

化学与化工学院谢建晖副研究员课题组在电催化氨氧化领域取得新进展，相关研究成果“Electrocatalytic Oxidation of Ammonia by (Salen)ruthenium(III) Ammine Complexes: Direct Evidence for a Ruthenium(VI) Nitrido Active Intermediate”发表于国际知名学术期刊《Journal of the American Chemical Society》。

氨是一种具有高能量密度、低爆炸性、且能以液态形式便捷运输的“零碳”燃料，作为清洁能源具有广阔前景。我国作为全球最大的合成氨生产和消费国，已建立了完善的氨运输和使用规范体系，为氨的推广和应用提供了坚实保障。氨燃料电池以氨为燃料，在温和条件下运行，具有清洁、高效、便捷储运和安全的特点，是助力“零碳”能源体系发展的重要技术方向。实现高效稳定的氨氧化电催化反应是直接氨燃料电池应用的关键技术。尽管氨氧化为氮气的热力学电位较低（+0.092 V vs NHE，pH=0），但是反应涉及多个质子耦合电子转移过程，会产生多个高能量中间体，因而在低过电位下实现高效的氨氧化反应依然是一个巨大挑战。

针对这一问题，该团队与中国科学院合肥物质科学研究院刘赢瀛副研究员团队以及香港城市大学刘大铸教授团队展开合作，制备了含四齿席夫碱配体的钌(III)配合物[RuIII(salchda)(NH3)(CH3CN)]+及其溴代衍生物（图1），并发现它们在氨氧化反应中表现出卓越的电催化性能。研究团队在氨乙腈溶液中，于0.65 V（vs Fc+/0）电位下进行3.2小时电解实验，发现氨被高选择性地氧化为氮气，转化数（TON）为26，法拉第效率（FE）接近100%。当电解电位提高至0.7V和0.8V时，TON分别增加至79和147，同时FE维持在99%以上。更为重要的是，通过电化学测试和同位素质谱分析，确认该催化反应的中间体为钌(VI)氮化物，[RuVI(salchda)(N)]+。基于这一中间体，研究团队结合氨氧化反应的动力学研究与密度泛函理论（DFT）计算，进一步明确了该反应通过中间体的亲电进攻以及中间体的双分子N…N偶联反应生成氮气（图2）。这一研究为席夫碱钌配合物在氨氧化反应中的出色性能提供了理论阐释，也为氨燃料电池等能源转换技术的发展提供了重要支持。

图1（a)配合物[RuIII(salchda)(NH3)(CH3CN)]+；（b)含溴的衍生物配合物

图2 催化机理示意图

上述工作得到了国家自然科学基金、高值催化转化与反应工程安徽省重点实验室和中央高校基本科研业务费的支持。

文章链接：

02

裂隙细观变形及非线性渗流机理研究

资源与环境工程学院钱家忠教授团队在裂隙两相流非达西机理方面取得新的研究进展，相关研究成果以“Non-darcian behavior of two-phase flow in a vertical fracture with tortuous”为题在工程地质领域顶级学术期刊《Engineering Geology》上发表。

裂隙介质中，流体的流动规律是地热资源开发、核废料地质处置以及油气资源开采等关键工程领域所关注的核心科学问题。传统的达西定律用于阐述低流速条件下的单相流体行为，但在实际工程应用中，垂直裂隙内往往出现气-水两相流动现象，且在高流速情况下，惯性效应变得尤为突出，从而使得流动表现出非达西特性。此外，裂隙表面的粗糙度以及流道的曲折性进一步增加了流动复杂性。然而，现有的模型在准确描述两相流中的非达西行为以及相对渗透率变化方面存在局限性，这限制了在工程实践中对流体运移进行精确预测的能力。

该研究团队构建了三维粗糙垂直裂隙的数值模型，并结合Navier-Stokes方程与Cahn-Hilliard相场方法，对气-水两相在浮力驱动下的非稳态流动过程进行了模拟。通过高斯随机分布生成了具有不同粗糙度的裂隙表面，并系统地分析了在雷诺数（Re=998~44,134）范围内，流速、饱和度与渗透率之间的非线性关系。本研究创新性地提出了一种融合裂隙表面曲折度与非达西系数的理论模型，建立了水相相对渗透率与流速、饱和度及几何参数之间的定量关系，突破了传统达西模型和单一经验公式的局限性。研究结果表明，当雷诺数超过998时，流动显著偏离达西定律，Forchheimer方程可有效描述高流速下的非线性压降。此外，本研究发现传统曲折通道方法（TCA）因未考虑浮力驱动下的气-水分布差异存在偏差，新模型通过引入表面弯曲度参数，将预测精度提升了20%以上，为工程应用提供了更可靠的评估工具。该成果为裂隙介质中的多相流预测提供了新的研究范式，可直接应用于增强型地热系统的裂隙网络优化、核废料库防渗设计及页岩气开采中的水力裂隙评估。例如，在核废料处置库中，非达西效应会加速放射性核素的迁移，传统模型可能低估风险，而新模型可精准量化流速与渗透率关系，为安全屏障设计提供了关键参数。

（a-b）两相流和单相流中位置水头的对比

（c）水相饱和度变化下的位置水头梯度动态特性

（a）TCA方法提出的通道曲折度计算和通道面积的示意图

（b）裂隙表面的曲折度、水相界面的表面积及其投影面积

（a-b）数值实验与TCA方法估算相对渗透率的对比分析

（c）在曲折垂直裂隙中，两相流动结构在垂直平面（xz）上的投影特征

03

电催化碳氮偶联反应合成酰胺领域

材料科学与工程学院吴玉程教授课题组在电催化小分子转化领域取得最新进展，相关研究成果“Balancing Intermediates Formation on Atomically Pd-Bridged Cu/Cu2O Interfaces for Kinetics-Matching Electrocatalytic C-N Coupling Reaction” 发表于国际知名学术期刊《Angewandte Chemie International Edition》。

随着全球能源需求的持续增长、化石燃料的过度使用，导致CO2气体大量排放，加剧温室效应，对地球生态系统构成严重威胁。发展清洁能源技术是应对这一挑战的有效途径。利用电催化还原反应将CO2与含氮小分子直接转化为高附加值化学品，可以有效缓解温室效应，为传统高碳排放的化工生产路线提供可持续的替代路径，具有广阔的应用前景。

尿素（CO(NH2)2）作为一种最简单的酰胺，广泛用于农业氮肥和化工生产。与传统高能耗的Bosch-Meiser工艺相比，电催化还原CO2与NO3-直接生成尿素提供了一种绿色、可持续的合成途径。然而，当前电催化合成尿素面临的主要挑战是C-N耦合反应动力学缓慢，制约了尿素合成的活性和选择性，使其难以满足实际应用需求。

针对上述问题，吴玉程教授团队的王岩教授、张剑芳博士后与香港城市大学张文军教授、安徽师范大学王鹏教授团队合作，通过原位电化学重构Pd1-Cu2Te纳米片，成功制备出一种原子级Pd桥接的Cu/Cu2O（Pd1-Cu/Cu2O）催化剂。在电催化合成尿素反应中，该催化剂展现出31.8mmol·h-1gcat.-1的尿素产率和42.2%的法拉第效率，且在100小时的连续运行过程中保持了优异的稳定性。此外，Pd1-Cu/Cu2O催化剂还首次实现了苯胺与CO的C-N耦合反应，生成乙酰苯胺的产率高达1021.2mmol·h-1gcat.-1，法拉第效率为23.7%。这一突破不仅展现了该催化剂在尿素合成中的优越性，也为其在高附加值化学品合成中的应用提供了重要参考。

图1 Pd₁-Cu/Cu₂O催化剂的形态表征

图2 Pd₁-Cu/Cu₂O催化剂的结构表征

原位光谱分析和理论计算表明，Pd1-Cu/Cu2O催化剂中的Pd-Cu双位点能够调控CO2和NO3-的还原动力学，有效平衡关键中间体CO和NH2的生成，并显著降低C-N耦合反应能垒，从而促进高效尿素合成。这种杂原子桥接策略不仅为理解C-N键形成机制提供了新的视角，还为发展高效电催化C-N耦合体系开辟了新途径。

图3 Pd₁-Cu/Cu₂O电催化C-N偶联机理分析

上述研究全面依托先进能源与环境材料国际科技合作基地、清洁能源新材料与技术学科创新引智基地（111计划）、安徽省先进纳米能源材料国际科技合作基地、先进功能材料与器件安徽省重点实验室等国家级、省部级科研平台，相关研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省重点研发计划项目、安徽省自然科学基金、中国博士后基金、中央高校基本科研业务费专项等支持。

论文链接：

来源 | 化学与化工学院 资源与环境工程学院

材料科学与工程学院

图片 | 王馨禹

编辑 | 阮凤珍

责编 | 卫婷婷 刘思雨

投稿邮箱 | hfutxcb404@163.com

世界读书日 | 邀你来合肥工大读书

创在合工大 | 专家云集，成果亮相，案例获批

合肥工大党委举办深入贯彻中央八项规定精神学习教育读书班