Small Structures:石墨烯衍生物和石墨烯复合材料电催化剂用于N2到NH3固定

氨(NH3)被广泛用于合成氮肥(尿素、碳酸氢铵等)、复合肥、硝酸、铵盐和纯碱等领域。全世界每年对NH3的需求量超过1.6亿吨。在目前的化学工业中,以氢(H2)和氮气(N2)为原料,在较苛刻的反应条件下(温度400-500℃;压力60bar以上),通过Haber-Bosch工艺合成NH3。该方法的NH3转化率相对较低(约为10-15%),并导致了大量的能源消耗(约占全世界能源供应量的1%),以及产生了高的CO2排放(约占世界二氧化碳排放量的3%)。因此迫切需要开发一种在温和反应条件下合成NH3的技术。

目前,在常温常压下,利用丰富的H2O作为氢源,通过电催化N2还原反应(NRR)来合成NH3被认为是一种很有前途的方法。利用可再生的电能驱动这一过程,可以大大减少CO2的排放。然而,高效的NRR催化剂的开发是该领域面临的最主要问题之一。石墨烯由于具有高比表面积、易于裁剪缺陷、导电性好等诸多独特性能,能够有效地增强电子/质子转移过程和增加活性位点,因此基于石墨烯衍生物/石墨烯复合材料的NRR催化剂的开发研究引起了学者们的广泛关注。

近日,四川大学材料科学与工程学院毛健教授团队在综述论文中首先分析并总结了NRR反应的电化学基础(包括NRR系统中的反应、NRR机理、NRR催化剂的实验和密度泛函理论(DFT)评价标准、氮元素的来源及电解液影响等),其次较系统地总结了目前石墨烯衍生物/石墨烯复合材料的NRR性能和微观结构之间的关系。基于此,对该领域存在的问题和未来可能的发展方向进行了展望:(1)对于石墨烯及其衍生物,石墨烯的固有缺陷(空位、位错缺陷和边缘)通常会在制备和加工过程中自发地引入,然而许多工作直接忽略了石墨烯固有缺陷对NRR性能的影响,这意味着石墨烯衍生物/石墨烯复合电催化剂NRR性能的来源并不明确;(2)对石墨烯衍生物/石墨烯复合材料电催化剂的N2还原过程的机理理解仍然非常有限,尤其是对于加氢机理,实验与计算之间存在较大差距(例如基于DFT模拟和实验结果的过电位差),迫切需要提出更合理的机理来解释。(3)制备方法决定了材料的结构,而结构决定了材料的性能,但是目前制备方法和材料NRR性能之间的直接联系还未被建立。

作者相信,这篇综述会为石墨烯衍生物/石墨烯复合材料NRR催化剂的研究提供一个较全面的指南和参考。相关论文在线发表在Small Structures上(DOI:10.1002/sstr.202000075)。四川大学博士生王飞为第一作者,四川大学毛健教授为通讯作者。