蘭州交通大學AEM：氧空位和異質結對MoO3-x/MXene電催化氮還原的協同作用機理

鋼鐵俠 2年前 (2021-12-24) 2017瀏覽

【研究背景】

氨（NH3）在國民經濟中發揮著十分重要的作用。用于工業合成氨的Haber-bosch工藝需要高溫高壓的反應條件，導致大量的能源消耗和碳排放。在當前 “雙碳”政策下，具有零碳排放特性的電催化氮還原（NRR）合成氨技術極具發展前景，而其中NRR催化劑在N2的吸附和活化中起關鍵作用。大量研究表明，構建空位或異質結策略可有效提升NRR催化劑的活性。然而迄今為止，空位和異質結對NRR催化劑的協同作用機理仍缺乏系統而深入的研究。

【文章簡介】

近日，來自蘭州交通大學材料學院的褚克教授課題組在《Advanced Energy Materials》上發表了題為“Unveiling the Synergy of O-Vacancy and Heterostructure over MoO3-x/MXene for N2 Electroreduction to NH₃”的研究文章。該文章通過構建富氧空位MoO3-x/MXene催化劑，綜合利用電化學原位光譜分析、分子動力學模擬以及密度泛函理論（DFT）計算，深度揭示了氧空位和異質結對NRR的協同作用機理。

【本文要點】
要點一：所制備的MoO3-x/MXene催化劑表現出較高的NRR催化活性，在–0.4 V電位下的NH3產率為95.8 μg h?1 mg?1，法拉第效率為22.3%，優于絕大部分報道的MXene基NRR 催化劑。

要點二：原位拉曼光譜，分子動力學模擬和DFT計算表明，MoO3-x/MXene中的氧空位為NRR活性中心，可有效吸附和活化N2分子，且降低第一加氫步驟的能壘，但氧空位對中間體的吸附過強，不利于NH3的脫附。

要點三：原位紅外光譜和分子動力學模擬表明，MXene和MoO3-x的異質結協同作用可進一步優化氧空位的電子結構，打破比例關系，降低氧空位對中間體的吸附強度，從而利于NH3的脫附，加速加氫反應循環。

圖1. MoO3-x/MXene的制備及形貌表征