Advanced Energy Materials:揭示氧空位和异质结在电催化氮还原反应过程中的协同作用机理

氨作为当今主要的化工原料之一,被广泛用于制备各类化工产品,尤其每年为保证粮食安全,90%的人工合成氨被用于生产化肥。自1913年起,全球人工制氨的主要途经为Haber-Bosch工艺(N2+3H2=2NH3),而此工艺需要在高温高压(600 °C、300 atm)的条件下进行。严苛的反应条件、高能耗以及高碳排放的特点使Haber-Bosch制氨不符合现今“碳中和”、“碳达峰”的政策要求。电催化氮还原反应(NRR)因其绿色清洁无污染的特点极具发展情景。然而,由于N2强的非极性键的存在,以及竞争性析氢反应严重降低了电化学合成氨的产率以及法拉第效率。为了解决这些问题,亟需开发高效的催化剂,以降低N2活化势垒并限制析氢副反应的发生。大量研究表明,构建空位或异质结策略可有效提升NRR催化剂的活性。然而迄今为止,空位和异质结对NRR催化剂的协同作用机理仍缺乏系统而深入的研究。

兰州交通大学材料学院褚克课题组通过构建富氧空位MoO3-x/MXene异质结催化剂,综合利用同步辐射表征、三维原子成像、电化学原位光谱分析、分子动力学模拟以及第一性原理计算,深度揭示了氧空位和异质结在电催化氮还原反应过程中的协同作用机理:氧空位为NRR活性中心,可有效吸附和活化N2分子,且降低第一加氢步骤的能垒;MXene和MoO3-x的异质结协同作用可进一步优化氧空位的电子结构,打破比例关系,降低氧空位对中间体的吸附强度,从而利于NH3的脱附,加速加氢反应循环。该工作的研究结果为开发高性能异质结NRR催化剂提供了新的理论基础及实验依据。

上述研究工作得到了得到了国家自然科学基金、中央引导地方科技发展专项资金、甘肃省自然科学基金重点项目、陇原青年创新创业人才等项目的联合资助。

论文信息:

Unveiling the Synergy of O-Vacancy and Heterostructure over MoO3-x/MXene for N2 Electroreduction to NH3

Ke Chu*, Yaojing Luo, Peng Shen, Xingchuan Li, Qingqing Li, Yali Guo

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202103022

原文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202103022