Advanced Functional Materials:界面工程促进钼/磷钨酸高效电催化合成氨

电化学氮气还原反应(eNRR)是在常温常压下通过可再生能源产生的电能驱动氮气和水反应合成氨,这种友好的氨合成方式被认为是解决能源和环境问题的有前景的技术。然而,水溶液的eNRR是典型的气-液-固三相界面反应,许多催化剂在水溶液中对N2的吸附较弱,并且对少量吸附的N2难以裂解,同时,HER较低的过电势导致副反应HER常常占主导。这些瓶颈均遏制了eNRR的活性和选择性的提高。目前已报道了许多关于提高催化剂对氮气活化的策略,包括缺陷工程,建立垂直结构,元素掺杂等,但是这些工作所获得的eNRR性能都不太理想。要实现eNRR的高活性和高选择性,首先要解决的是反应界面处氮气分布密度低的问题,当更多的氮气聚集在催化剂表面后才有可能进一步发生氮气的吸附活化。

福州大学化肥催化剂国家工程研究中心江莉龙研究员、梁诗景教授协同中国科学院过程所何宏艳研究员,精确锚定Mo物种的磷钨酸(PTA),设计固载于多壁碳纳米管(CNT)的超疏水催化剂,调控气-液-固三相界面,调节N2和H2O分子传质,实现了电催化合成氨的高活性和高选择性。

该研究团队开发简单浸渍法制备可调控的超疏水性Mo-PTA@CNT电催化剂,精确锚定Mo物种于其4-H位点上,并将所获得的Mo-PTA固载化于多壁碳纳米管(CNT)中。其中CNT作为氮气富集器,Mo-PTA作为氮气活化中心,二者协同促进eNRR活性和选择性的提高。该研究团队发现CNT的引入提供了快速的电子通道,提高了催化剂的稳定性,且有效提升了氮气在其催化剂表面的存储量。在浓差驱动下,氮气顺利穿过CNT并与PTA中的活性Mo物种接触,带有丰富电子的Mo物种能有效促进惰性N2的活化。此外,超疏水的催化剂降低了界面处的H2O分子的浓度,从而抑制了不利的HER,促进了电子选择性的提高。该工作为材料设计和界面调控提供了的新思路,并为水溶液电化学氮气还原反应提出了新的见解。

论文信息:

Interfacial Engineering Promoting Electrosynthesis of Ammonia over Mo/Phosphotungstic Acid with High Performance

Wanru Liao, Lu Qi, Yanlei Wang, Jingyu Qin, Guangyong Liu, Shijing Liang*, Hongyan He*, Lilong Jiang

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202009151