Advanced Energy Materials:扬长避短:理性设计富羟基Ti3C2Tx MXene量子点用于电化学固氮

氨在燃料生产、农业种植和工业生产中发挥着至关重要的作用。地球大气中含有丰富N2可作为合成氨的原料,但由于NN键极高的键能(940.95 kJ mol-1),使NRR发生极为困难。目前,工业合成氨严重依赖于Haber-Bosch工艺,但其必须在高温高压下进行,且每年要消耗全球1-3%的能源,同时会排放出大量的二氧化碳。近年来,常温常压下的电催化NRR引起了科研工作者的广泛关注,催化剂从贵金属材料亦逐渐转向丰富且廉价的过渡金属氧化物或非金属材料,但是由于缺乏合理的、有针对性的设计,制备同时满足高产氨速率、高选择性和低成本的NRR电催化剂仍然面临着巨大挑战。

近日,青岛大学许元红教授、澳大利亚斯威本科技大学孙成华教授、南京工业大学吴宇平教授等课题组合作,通过密度泛函理论计算发现Ti3C2Tx MXene边缘的Ti原子具有较高的NRR催化活性,并系统计算研究了Ti3C2Tx MXene表面官能团对NRR催化性能的关键作用,发现表面官能团可以调节Ti的d轨道电子从而改善边缘暴露Ti的NRR催化性能,其中-OH基团能促进NRR反应的发生,而-F不利于NRR的进行。因此采用碱性插层、取代法将大尺寸MXene纳米片剪切成比表面积更大的量子点形式以暴露更多边缘Ti原子,同时使-OH取代了不利于NRR催化的其它官能团,通过“扬长避短”的方式,制备了富含-OH官能团的Ti3C2Tx MXene量子点—Ti3C2OH QDs。

经研究发现Ti3C2OH QDs比大尺寸的Ti3C2Tx MXene纳米片以及含有其它表面官能团的Ti3C2Tx MXene量子点具有更加突出的NRR催化性能,在-0.5 V电势下其最大产氨速率和法拉第效率分别能达到62.94 µg h-1 mg-1cat. 和13.30%。本研究不仅提供了一种优异的固氮电催化剂,同时表明,二维材料衍生的量子点在电催化中具有巨大的应用价值,通过控制官能团、边缘位点和量子点尺寸为进一步优化电催化剂提供了广阔的空间,而且为其他纳米催化剂的合理设计和性能提升提供了新思路。相关研究成果“Rational Design of Hydroxyl-Rich Ti3C2Tx MXene Quantum Dots for High-Performance Electrochemical N2 Reduction”发表在Advanced Energy Materials(2020, 2000797,DOI: 10.1002/aenm.202000797)上。研究生靳兆勇、刘创伟、刘再春为文章的共同第一作者,吴宇平教授、孙成华教授和许元红教授为共同通讯作者。