Advanced Energy Materials:单原子Ru修饰MXene用于高效电催化固氮

通过大气中的氮气合成氨对工业生产和农业种植具有重要意义。然而,传统的Haber‐Bosch法合成氨需要高温高压条件,能量利用效率低,且会排放大量CO2。电化学固氮合成氨(NRR)可以利用可再生的太阳能或风能在常温常压条件下合成NH3。但在电化学固氮过程中,由于N2的弱吸附以及N≡N键的高活化能,氨气产率和法拉第效率都比较低。近年来,研究人员试图从材料设计与合成的角度来解决以上问题,但是NRR过程反应动力学缓慢, N2吸附以及活化能力较弱,依然是阻碍NRR技术发展的关键问题。因此,通过合理设计电催化反应活性中心来增强N2吸附和降低N≡N活化能垒尤为重要。

湖南大学材料科学与工程学院谭勇文团队和合作者针对上述问题,采用一种缺陷自发还原的方法,成功制备了单原子Ru修饰的Mo2CTX MXene 纳米片NRR催化剂,该催化剂在常温常压下展示出较高的NRR选择性(25.77%), NH3产率(40.57 μg h-1 mg-1)以及稳定性。相关研究成果“Spontaneous Atomic Ruthenium Doping in Mo2CTX MXene Defects Enhances Electrocatalytic Activity for the Nitrogen Reduction Reaction”近期发表在Advanced Energy Materials上(DOI: 10.1002/aenm.202001364)。

MXene材料是一类新型二维纳米材料,这类材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物组成。近年来,MXene已经在电化学能源转换(HER, CO2RR, NRR)领域中展现出极大的应用潜力,然而其有限的表面活性位点是限制该材料实际应用的关键问题。在该工作中,引入Ru单原子不光可以极大地丰富Mo2CTX 纳米片的反应活性位点,还可以调节其电子结构,稳定反应中间体,从而增强该催化剂的本征活性。此外,研究者进一步利用原位同步辐射表征和理论模拟手段对单原子Ru修饰的Mo2CTX在实际催化条件下进行了系统研究。发现锚定在Mo2CTX纳米片上的Ru原子是反应中间产物的有效吸附位点和重要的电子back-donation中心。Ru掺杂不仅加快了N2分子吸附和活化,还降低了NRR限速步骤的热力学能垒,从而提高了NRR选择性。这项工作不仅合成了高性能MXene基NRR催化剂,并且系统研究了其催化活性来源。研究者相信,此项研究将会为基于MXene二维材料的电催化研究拓宽道路,并为设计高效纳米材料电催化剂在原子层面上提供指导。