电催化氮还原反应（eNRR）为氨（NH3）的生产提供了一种可持续的途径。其中，缺陷工程是种增强eNRR活性的有前途的策略，但它也可能同时放大竞争性析氢反应（HER），为实现高选择性带来了挑战。
2025年3月3日，南洋理工大学Jong-Min Lee、西北工业大学王俊杰教授、四川大学袁波副教授、大连化学物理研究所范文俊副教授在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition发表题为《Size Effect of Surface Defects Dictates Reactivity for Nitrogen Electrofixation》的研究论文，YunTong Sun为论文第一作者，Jong-Min Lee、王俊杰、袁波、范文俊为论文共同通讯作者。
王俊杰，民建会员，工学博士，现任西北工业大学教授，凝固技术国家重点实验室副主任，STAM Methods期刊副主编。近年来入选国家级青年人才计划、日本学术振兴会“JSPS学者”和西北工业大学“翱翔海外青年学者”，并兼任东京工业大学客座教授、日本国立物质材料研究机构（NIMS）客座研究员陕西省纳米科技学会常务理事、西安市铸造学会理事和美国化学学会（ACS）会员。
王俊杰教授主要从事材料基因工程理论发展和应用领域研究。现主持国家级青年人才项目1项、国家自然科学基金面上项目1项、国家自然基金国际交流合作项目1项和中法“蔡元培”交流合作项目1项。已在Nature Catalysis、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Chemistry of Materials等国际知名期刊发表SCI论文多篇。
袁波，四川大学副教授，2019年毕业于四川大学生物材料工程研究中心生物医学工程专业，获工学博士学位，2019年留校做专职博士后（生物医学工程）。担任国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心咨询专家、增材制造医疗器械专业委员会委员等职务，还兼任Prog. Nat. Sci.: Mater. Int.、J. Orthop. Transl.及Rare Met.等十余个SCI杂志学术编辑及编委。
袁波副教授主要从事组织诱导性生物材料研究，特别是骨诱导性生物材料的设计、制备与应用开发。近5年来，作为负责人主持国家自然科学基金、四川省重点研发项目、“十三五”/“十四五”国家重点研发计划子课题等国家及省部级项目11项；以第一或通讯作者在Science Advances、Biomaterials、Bioactive Materials等国际生物材料领域顶尖期刊发表高水平论文15篇，平均单篇影响因子大于10。
范文俊，中国科学院大连化学物理研究所副教授，2010年学士毕业于河北科技大学，2014年硕士毕业于昆明理工大学，2018年博士毕业于大连化学物理研究所与华南理工大学联合培养项目。2019年至2023年于大连化学物理研究所担任助理研究员，后于大连化学物理研究所任职副教授。
范文俊副教授的研究方向主要为电催化在氧电解中的应用，以及原位表征。在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Mater.等期刊发表了了50多篇同行评审论文；授权了三项专利。此外，还主持了国家自然科学基金青年项目、省级基金项目，并作为项目核心成员参与了一系列项目，如国家重点研发计划。
在本文中，作者通过系统地调节缺陷尺寸，设计了具有不同缺陷大小的VOx材料，以构建缺陷尺寸与电催化氮还原反应（eNRR）性能之间的构效关系。
原位光谱分析和密度泛函理论（DFT）计算揭示，中等尺寸的缺陷（VOx-MD，1-2 nm）能够为增强N2的吸附和活化提供最佳的电子环境，同时保持足够的空间灵活性，以促进高效的加氢反应并抑制析氢反应（HER）。
因此，VOx-MD展现出了卓越的电催化氮还原反应（eNRR）性能，在-0.5V的条件下，实现了81.94±1.4 µg h-1 mg-1的氨（NH3）产率和31.97±0.75%的法拉第效率（FE）。
这些发现突出了缺陷尺寸在调控eNRR活性和选择性方面的关键作用，并为合理设计先进的电催化剂提供了一种可扩展的策略。
图1：VOx-ND、VOx-SD、VOx-MD 和 VOx-LD 原子水平上的晶体结构
图2：缺陷尺寸与钒（V）的电子态之间的结构-活性关系
图3：电化学氮还原反应（NRR）性能
图4：VOx-MD上电化学氮还原反应（eNRR）活性的理论研究
图5：XANES和XPS表征
综上，作者通过系统调控VOx表面缺陷尺寸，研究了缺陷尺寸对电催化氮还原反应（eNRR）性能的影响，揭示了缺陷尺寸与eNRR活性之间的构效关系。
通过实验分析、理论计算和原位表征，发现中等尺寸的缺陷（1-2 nm）能够优化电子和几何结构，从而增强N2吸附和活化，同时抑制竞争性HER。
该研究不仅为合理设计高性能eNRR催化剂提供了可扩展的策略，还为理解缺陷工程在电催化中的作用机制提供了新的视角。
该研究为开发高效、选择性的氮还原催化剂提供了理论基础和实验指导，有望推动可持续氨合成技术的发展。
Size Effect of Surface Defects Dictates Reactivity for Nitrogen Electrofixation, Angew. Chem. Int. Ed., 2025.