Advanced Functional Materials:电化学合成氨:乘风破浪的二维金属硼化物(MBenes)

氨(NH3)不仅是生产氮肥所必需的原料,而且是一种非常重要的基础化学品被广泛应用于塑料、纺织品、杀虫剂和染料等化学品的制造过程。目前工业合成氨主要依赖于能量密集型的Haber-Bosch工艺;需要N2在高温高压催化剂的作用下与H2反应生成NH3。高的能源消耗和造成的环境污染问题促使研究者探索其他可能的替代技术。

通过电催化氮气还原反应直接合成氨被认为是一种极具前景的策略,因为这一过程不仅反应条件温和,而且可以与可再生能源发电技术结合,减少对化石燃料的依赖,进而减小对环境的污染。然而由于氮气在阴极还原过程中涉及多种反应中间体,目前大部分催化剂都很难平衡整体的反应过程,使得催化剂的活性相对较低;同时,由于液相反应中存在严重的竞争性析氢反应,电化学合成氨整体表现要比Haber-Bosch工艺低2-3个数量级。探索稳定高效的电化学合成氨催化剂是当前研究的重点。

二维材料由于其超高的比表面积,理想条件下可以为催化反应提供更多的活性位点,因此在能源存储与转化领域具有非常大的应用前景。然而,由于目前大多数二维电催化剂的二维基面对N2的吸附活化呈现一定的惰性,催化剂的活性和选择性起源主要来自其暴露的边缘或缺陷位点,二维材料的优势并没有完全被体现。理想状态下,二维合成氨电催化剂应表现出本征的二维基面活性和选择性,从而可以兼顾高的比活性和大的活性面积,而不需要进行复杂的掺杂改性、界面和缺陷工程。然而,到目前为止,这种催化剂仍然未被发现。

近日,北京化工大学的黄世萍教授与美国波多黎各大学的陈中方教授、南京理工大学的张胜利教授等人合作,通过系统的密度泛函理论计算,提出了一类MXenes类似物——二维过渡金属硼化物(MBenes),可以实现二维基面的氮气吸附和活化,同时兼具有优异的催化选择性。相关结果以“Establishing a Theoretical Landscape for Identifying Basal Plane Active 2D Metal Borides (MBenes) toward Nitrogen Electroreduction”为题,发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202008056)上,第一作者为北京化工大学博士研究生郭翔宇。

作者以16种MBenes结构模型为初始模型,提出了通用的理论设计策略用于评判二维合成氨催化剂的稳定性,活性,和选择性。同时结合表面布拜图分析,作者识别出了包括CrB, MoB, WB, Mo2B, V3B4, CrMnB2, 和 CrFeB2在内的七种MBenes,不仅具有优异的催化活性(理论极限电位在-0.22到-0.82 V),而且可以显著地抑制竞争性析氢反应,实现高的催化选择性。特别地,不同于广被研究的MXenes体系,其二维基面容易受到表面氧化问题的影响,进而抑制二维表面的金属位点与氮气的相互作用。表面布拜相图分析表明,识别出的七种MBenes一旦被氧化,可以实现在反应条件下的“自活化”,即在反应电位下可以将表面氧和氢氧物种直接还原成水,释放二维活性基面,用于氮气吸附以及进一步反应过程。

这项成果不仅为加速发现高效合成氨催化剂提供了合理化的设计策略,而且为理解催化剂在液相电催化条件下的结构演变提供了一定的理论支持。