蘭州交通大學Small：Nb2CTx-MXene負載BN量子點對電催化氮還原的協同增強效應

第一作者：李興川

通訊作者：褚克*

單位：蘭州交通大學

【研究背景】

氨（NH₃）是一種高效的氫燃料載體，是一種在人類社會中發揮著重要作用的重要化學品。用于工業規模NH₃合成的傳統Haber-bosch工藝需要高壓和高溫的反應條件，從而導致大量的能源消耗和碳排放。因此，迫切需要開發一種節能環保的替代NH₃合成路線。電化學法合成氨已被廣泛認為是最綠色、最有前途的氨合成的途徑。然而，由于N₂強的非極性鍵的存在，以及由于不希望發生競爭性析氫反應(HER)導致的電位限制降低了電化學合成氨的法拉第效率(FE)。為了解決這些問題，亟需開發高效的催化劑，以降低N₂活化勢壘并阻礙HER。

【文章簡介】

近日，來自蘭州交通大學材料學院的褚克副教授，在國際知名期刊Small上發表了題為“Synergistic Enhancement of Electrocatalytic Nitrogen Reduction Over Boron Nitride Quantum Dots Decorated Nb₂CT_x-MXene”的研究文章。該文章詳細介紹了Nb₂CT_x-MXene負載BN量子點（BNQDs@Nb₂CT_x）的合成及其電催化NRR性能，并通過第一性原理計算研究了BNQDs@Nb₂CT_x的NRR催化機理。

圖1.?BNQDS@Nb₂CT_x的合成過程示意圖

【本文要點】

要點一：

BNQDs可以和Nb₂CT_x自組裝形成BNQDs@Nb₂CT_x異質結構，BNQDs@Nb₂CT_x表現出優異的NRR性能，主要來自于二者多方面的協同作用：1）BNQDs@Nb₂CT_x界面電子強耦合增強了整體的導電性，有利于NRR過程的電子傳輸；2)Nb₂CT_x限制了BNQDs聚集，而BNQDs作為間隔物阻止了Nb₂CT_X納米片的堆積，最大化暴露了活性位點；3)BNQDs具有HER惰性特點，可限制Nb₂CT_x表面的析氫反應，從而提升了NRR選擇性；4)BNQDs表面具有豐富的N₂吸附位點，有利于N₂的吸附。

要點二：?

DFT計算進一步表明：BNQDs和N₂CT_x的協同作用能夠創建高活性界面-B位點，界面-B位點作為主要的活性中心，具有很強的π-電子反饋能力來促進N₂的活化。NRR過程中，N₂分子優選吸附在界面B位點上，而Nb₂CT_x表面的O位點傾向于吸附H。然后在施加電壓的情況下，界面-B位點吸附的N₂可與Nb₂CT_x表面O位點提供的H結合進行連續加氫反應，從而促進了NRR過程的持續進行。

圖2. a) BNQDs的TEM圖像（插圖：BNQDs尺寸分布）。b) 純N₂CT_x納米片的TEM圖像。c) BNQDs@Nb₂CT_x的TEM圖像。d) 純Nb2CTx 納米片的HRTEM圖像。e) BNQDs@Nb₂CT_x的HRTEM圖像和 f) 相應的彩色圖像。g) BNQDs@Nb₂CT_x的高倍HRTEM圖像（插圖：黃色圓圈區域的快速傅立葉變換 (FFT) 圖像）。h) BNQDs@Nb₂CT_x的STEM和相應的元素映射圖像。

圖3. a）BNQDs和BNQDs@Nb₂CT_x的XRD圖譜。b-f) BNQDs@Nb₂CT_x的XPS光譜：B1s (b)； N1s (c); Nb3d (d); C1s (e); O1s (f)。g) BNQD 和 h) Nb₂CT_x的平均電位分布。 i) BNQDs 和 Nb₂CT_x?之間的電子轉移示意圖。 j) BNQDs@Nb₂CT_x的電子定位函數圖像。k) BNQDs和BNQDs@Nb₂CT_x的 PDOS。

圖4. a) BNQDs@Nb₂CT_x在各種溶液中的LSV曲線。 b,c) 獲得的NH₃產率和FE（三個測量值）。 d) BNQDs、Nb₂CT_x和BNQDs@Nb₂CT_x在相同條件下在-0.4 V的NRR電解2小時后的NH₃產率。e) ¹H NMR測量。f) Ar/N₂交替循環試驗。g) 循環測試。h) 長期計時電流法測試。i) 在-0.4 V下初始和后NRR電解（24小時后）的NH₃產率。

圖5. a) Top-B位點上N₂吸附的優化結構。b) 界面B位點上N2吸附的優化結構，以及c) 相應的電荷差異。 d) 在top-B 和interface-B 位點上*N₂的PDOS。 e) 在零和-0.71 V的應用能量下界面-B位點上反應途徑的自由能分布。f) BNQDs@Nb₂CT_x的NRR過程機理圖。

【文章鏈接】

Synergistic Enhancement of Electrocatalytic Nitrogen Reduction Over Boron Nitride Quantum Dots Decorated Nb₂CT_x-MXene

https://doi.org/10.1002/smll.202102363

【通訊作者簡介】

褚克簡介：蘭州交通大學副教授，長期從事新能源和熱能管理用納米復合材料的研究和開發。以通訊作者身份在Small, Carbon, Appl. Catal. B, J. Mater. Chem. A, Chem. Commun., Energy Environ. Mater., Nano Res. 等刊物上發表了80余篇研究論文，被引用4600余次，先后有22余篇論文被評為ESI高被引/熱點論文。

本文由作者投稿。