喜歡就關注我們吧，訂閱更多最新訊息
通訊作者：褚克
通訊單位：蘭州交通大學
研究背景
氨（NH3）在國民經濟中發揮著十分重要的作用。用於工業合成氨的Haber-bosch工藝需要高溫高壓的反應條件，導致大量的能源消耗和碳排放。在當前 “雙碳”政策下，具有零碳排放特性的電催化氮還原（NRR）合成氨技術極具發展前景，而其中NRR催化劑在N2的吸附和活化中起關鍵作用。大量研究表明，構建空位或異質結策略可有效提升NRR催化劑的活性。然而迄今為止，空位和異質結對NRR催化劑的協同作用機理仍缺乏系統而深入的研究。
工作介紹
近日，來自蘭州交通大學材料學院的褚克教授課題組在《Advanced Energy Materials》上發表了題為“Unveiling the Synergy of O-Vacancy and Heterostructure over MoO3-x/MXene for N2Electroreductionto NH3”的研究文章。該文章透過構建富氧空位MoO3-x/MXene 催化劑，綜合利用電化學原位光譜分析、分子動力學模擬以及密度泛函理論（DFT）計算，深度揭示了氧空位和異質結對NRR的協同作用機理。
圖文解析
一、透過“水熱+熱還原”兩步法制備了MoO3-x/MXene異質結催化劑，並對其形貌結構進行了詳細表徵。
圖1. MoO3-x/MXene的製備及形貌表徵
圖2. MoO3-x/MXene的結構表徵及電子結構DFT計算
二、MoO3-x/MXene催化劑表現出較高的NRR催化活性，在–0.4 V電位下的NH3產率為95.8 μg h−1 mg−1，法拉第效率為22.3%，優於絕大部分報道的MXene基NRR 催化劑。
圖3. MoO3-x/MXene的NRR效能
三、原位拉曼光譜，分子動力學模擬和DFT計算表明，MoO3-x/MXene中的氧空位為NRR活性中心，可有效吸附和活化N2分子，且降低第一加氫步驟的能壘，但氧空位對中間體的吸附過強，不利於NH3的脫附。
圖4. 電化學原位拉曼光譜分析
圖5. N2吸附過程的分子動力學模擬
圖6. NRR效能的DFT計算
四、原位紅外光譜和分子動力學模擬表明，MXene和MoO3-x的異質結協同作用可進一步最佳化氧空位的電子結構，打破比例關係，降低氧空位對中間體的吸附強度，從而利於NH3的脫附，加速加氫反應迴圈。
圖7. 電化學原位紅外光譜分析和NH3脫附過程的分子動力學模擬
總結與展望
該工作透過多種表徵分析手段全面系統地揭示了氧空位和異質結在電催化氮還原反應過程中的協同作用機理。該工作的研究結果為開發高效能MXene異質結催化劑提供了新的理論基礎及實驗依據。
通訊作者介紹
褚克，蘭州交通大學教授，甘肅省飛天學者，長期從事金屬基複合材料及新能源材料的研究和開發。在Adv. Energy. Mater，Adv. Funct. Mater.，Small，Carbon，Appl. Catal. B，J. Mater. Chem. A，J.Energy. Chem., Nano Res. 等國內外知名期刊發表論文100餘篇，總被引用5000餘次，先後有25餘篇論文入選ESI高被引/熱點論文。
文章連結
Unveilingthe Synergy of O-Vacancy and Heterostructure over MoO3-x/MXene for N2 Electroreduction to NH3, Advanced Energy Materials, 2022.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202103022
