Advanced Functional Materials:具有多活性位点的高熵合金首次应用于全pH下氮气还原反应

电催化氮还原反应(NRR)是一种以氮气和水为原料,在相对温和的条件下生成NH3的固氮技术。由于其对环境友好的特性,成为电催化领域的一个新的研究热点。电催化过程的中心环节是制备高效催化剂。在过去的几年中,出现了各种各样的有效电催化剂。其中过渡金属在NRR进程中起着重要作用,可用于缓解激发N≡N键的动力学问题。然而,NH3产率低、过电位高、稳定性差等仍然是NRR最大的挑战。随着材料科学的不断进步,新材料不断涌现。通过对配位熵的精确控制,可以合成由五种或五种以上具有相同原子比的金属元素合成的高熵合金。由于其在恶劣条件下的独特的耐腐蚀性和性能可调性,受到了科学家的广泛关注。传统的合成高熵合金的方法往往需要极其苛刻的条件,产物的形貌尺寸不均一,产率比较低,因此需要寻找更合适的方法制备纳米尺寸且形貌均一的高熵合金。

青岛科技大学王磊教授和赖建平教授团队针对上述问题在低温(≤250℃)常压下制备了尺寸集中分布在~16 nm左右的RuFeCoNiCu高熵合金纳米粒子,并首次应用于电催化NRR。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202006939)上。

由于高熵合金的金属位点较多,在氮气还原的过程中可以通过各金属协同作用提高NRR的催化活性。该研究团队通过在低温(≤250℃)常压下的油相中合成RuFeCoNiCu高熵合金纳米粒子,这些纳米粒子的形貌均一,尺寸~16 nm,且与碳负载后具有很好的分散性,避免纳米粒子在催化过程中发生团聚,随后将此材料应用于NRR。实验数据显示,在0.1 M KOH电解液中,在0.05V vs. RHE的低过电位下具有57.1 µg h–1 mg cat 1 (11.4 µg h–1 cm–2)的NH3产量,法拉第效率达到38.5%,是目前所报道过的材料中在此过电位下产氨量最高的。同时,经过100 h的稳定性测试后,仍然保持较好的催化活性和结构稳定性。经过在其他pH下的电解液中的测试表明,该高熵合金适用于全pH下的NRR。该团队还对合成的材料进行了理论计算,得出t-Fe位点是N2的吸附位点,而Ru-Ni和Co-Cu具有较好的表面氢化的能力,从而在催化过程中能抑制双氢吸附产生H2,促进N2的加氢过程。