目錄

1.電催化氨氧化領域

2.裂隙細觀變形及非線性滲流機理研究

3.電催化碳氮偶聯反應合成酰胺領域

01

電催化氨氧化領域

化學與化工學院謝建暉副研究員課題組在電催化氨氧化領域取得新進展，相關研究成果“Electrocatalytic Oxidation of Ammonia by (Salen)ruthenium(III) Ammine Complexes: Direct Evidence for a Ruthenium(VI) Nitrido Active Intermediate”發表于國際知名學術期刊《Journal of the American Chemical Society》。

氨是一種具有高能量密度、低爆炸性、且能以液態形式便捷運輸的“零碳”燃料，作為清潔能源具有廣闊前景。我國作為全球最大的合成氨生產和消費國，已建立了完善的氨運輸和使用規范體系，為氨的推廣和應用提供了堅實保障。氨燃料電池以氨為燃料，在溫和條件下運行，具有清潔、高效、便捷儲運和安全的特點，是助力“零碳”能源體系發展的重要技術方向。實現高效穩定的氨氧化電催化反應是直接氨燃料電池應用的關鍵技術。盡管氨氧化為氮氣的熱力學電位較低（+0.092 V vs NHE，pH=0），但是反應涉及多個質子耦合電子轉移過程，會產生多個高能量中間體，因而在低過電位下實現高效的氨氧化反應依然是一個巨大挑戰。

針對這一問題，該團隊與中國科學院合肥物質科學研究院劉贏瀛副研究員團隊以及香港城市大學劉大鑄教授團隊展開合作，制備了含四齒席夫堿配體的釕(III)配合物[RuIII(salchda)(NH3)(CH3CN)]+及其溴代衍生物（圖1），并發現它們在氨氧化反應中表現出卓越的電催化性能。研究團隊在氨乙腈溶液中，于0.65 V（vs Fc+/0）電位下進行3.2小時電解實驗，發現氨被高選擇性地氧化為氮氣，轉化數（TON）為26，法拉第效率（FE）接近100%。當電解電位提高至0.7V和0.8V時，TON分別增加至79和147，同時FE維持在99%以上。更為重要的是，通過電化學測試和同位素質譜分析，確認該催化反應的中間體為釕(VI)氮化物，[RuVI(salchda)(N)]+。基于這一中間體，研究團隊結合氨氧化反應的動力學研究與密度泛函理論（DFT）計算，進一步明確了該反應通過中間體的親電進攻以及中間體的雙分子N…N偶聯反應生成氮氣（圖2）。這一研究為席夫堿釕配合物在氨氧化反應中的出色性能提供了理論闡釋，也為氨燃料電池等能源轉換技術的發展提供了重要支持。

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

圖2 催化機理示意圖

上述工作得到了國家自然科學基金、高值催化轉化與反應工程安徽省重點實驗室和中央高校基本科研業務費的支持。

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02

裂隙細觀變形及非線性滲流機理研究

資源與環境工程學院錢家忠教授團隊在裂隙兩相流非達西機理方面取得新的研究進展，相關研究成果以“Non-darcian behavior of two-phase flow in a vertical fracture with tortuous”為題在工程地質領域頂級學術期刊《Engineering Geology》上發表。

裂隙介質中，流體的流動規律是地熱資源開發、核廢料地質處置以及油氣資源開采等關鍵工程領域所關注的核心科學問題。傳統的達西定律用于闡述低流速條件下的單相流體行為，但在實際工程應用中，垂直裂隙內往往出現氣-水兩相流動現象，且在高流速情況下，慣性效應變得尤為突出，從而使得流動表現出非達西特性。此外，裂隙表面的粗糙度以及流道的曲折性進一步增加了流動復雜性。然而，現有的模型在準確描述兩相流中的非達西行為以及相對滲透率變化方面存在局限性，這限制了在工程實踐中對流體運移進行精確預測的能力。

該研究團隊構建了三維粗糙垂直裂隙的數值模型，并結合Navier-Stokes方程與Cahn-Hilliard相場方法，對氣-水兩相在浮力驅動下的非穩態流動過程進行了模擬。通過高斯隨機分布生成了具有不同粗糙度的裂隙表面，并系統地分析了在雷諾數（Re=998~44,134）范圍內，流速、飽和度與滲透率之間的非線性關系。本研究創新性地提出了一種融合裂隙表面曲折度與非達西系數的理論模型，建立了水相相對滲透率與流速、飽和度及幾何參數之間的定量關系，突破了傳統達西模型和單一經驗公式的局限性。研究結果表明，當雷諾數超過998時，流動顯著偏離達西定律，Forchheimer方程可有效描述高流速下的非線性壓降。此外，本研究發現傳統曲折通道方法（TCA）因未考慮浮力驅動下的氣-水分布差異存在偏差，新模型通過引入表面彎曲度參數，將預測精度提升了20%以上，為工程應用提供了更可靠的評估工具。該成果為裂隙介質中的多相流預測提供了新的研究范式，可直接應用于增強型地熱系統的裂隙網絡優化、核廢料庫防滲設計及頁巖氣開采中的水力裂隙評估。例如，在核廢料處置庫中，非達西效應會加速放射性核素的遷移，傳統模型可能低估風險，而新模型可精準量化流速與滲透率關系，為安全屏障設計提供了關鍵參數。

（a-b）兩相流和單相流中位置水頭的對比

（c）水相飽和度變化下的位置水頭梯度動態特性

（a）TCA方法提出的通道曲折度計算和通道面積的示意圖

（b）裂隙表面的曲折度、水相界面的表面積及其投影面積

（a-b）數值實驗與TCA方法估算相對滲透率的對比分析

（c）在曲折垂直裂隙中，兩相流動結構在垂直平面（xz）上的投影特征

03

電催化碳氮偶聯反應合成酰胺領域

材料科學與工程學院吳玉程教授課題組在電催化小分子轉化領域取得最新進展，相關研究成果“Balancing Intermediates Formation on Atomically Pd-Bridged Cu/Cu2O Interfaces for Kinetics-Matching Electrocatalytic C-N Coupling Reaction” 發表于國際知名學術期刊《Angewandte Chemie International Edition》。

隨著全球能源需求的持續增長、化石燃料的過度使用，導致CO2氣體大量排放，加劇溫室效應，對地球生態系統構成嚴重威脅。發展清潔能源技術是應對這一挑戰的有效途徑。利用電催化還原反應將CO2與含氮小分子直接轉化為高附加值化學品，可以有效緩解溫室效應，為傳統高碳排放的化工生產路線提供可持續的替代路徑，具有廣闊的應用前景。

尿素（CO(NH2)2）作為一種最簡單的酰胺，廣泛用于農業氮肥和化工生產。與傳統高能耗的Bosch-Meiser工藝相比，電催化還原CO2與NO3-直接生成尿素提供了一種綠色、可持續的合成途徑。然而，當前電催化合成尿素面臨的主要挑戰是C-N耦合反應動力學緩慢，制約了尿素合成的活性和選擇性，使其難以滿足實際應用需求。

針對上述問題，吳玉程教授團隊的王巖教授、張劍芳博士后與香港城市大學張文軍教授、安徽師范大學王鵬教授團隊合作，通過原位電化學重構Pd1-Cu2Te納米片，成功制備出一種原子級Pd橋接的Cu/Cu2O（Pd1-Cu/Cu2O）催化劑。在電催化合成尿素反應中，該催化劑展現出31.8mmol·h-1gcat.-1的尿素產率和42.2%的法拉第效率，且在100小時的連續運行過程中保持了優異的穩定性。此外，Pd1-Cu/Cu2O催化劑還首次實現了苯胺與CO的C-N耦合反應，生成乙酰苯胺的產率高達1021.2mmol·h-1gcat.-1，法拉第效率為23.7%。這一突破不僅展現了該催化劑在尿素合成中的優越性，也為其在高附加值化學品合成中的應用提供了重要參考。

圖1 Pd?-Cu/Cu?O催化劑的形態表征

圖2 Pd?-Cu/Cu?O催化劑的結構表征

原位光譜分析和理論計算表明，Pd1-Cu/Cu2O催化劑中的Pd-Cu雙位點能夠調控CO2和NO3-的還原動力學，有效平衡關鍵中間體CO和NH2的生成，并顯著降低C-N耦合反應能壘，從而促進高效尿素合成。這種雜原子橋接策略不僅為理解C-N鍵形成機制提供了新的視角，還為發展高效電催化C-N耦合體系開辟了新途徑。

圖3 Pd?-Cu/Cu?O電催化C-N偶聯機理分析

上述研究全面依托先進能源與環境材料國際科技合作基地、清潔能源新材料與技術學科創新引智基地（111計劃）、安徽省先進納米能源材料國際科技合作基地、先進功能材料與器件安徽省重點實驗室等國家級、省部級科研平臺，相關研究工作得到了國家自然科學基金、安徽省重點研發計劃項目、安徽省自然科學基金、中國博士后基金、中央高校基本科研業務費專項等支持。

論文鏈接：

來源 | 化學與化工學院 資源與環境工程學院

材料科學與工程學院

圖片 | 王馨禹

編輯 | 阮鳳珍

責編 | 衛婷婷 劉思雨

投稿郵箱 | hfutxcb404@163.com

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