北京化工大学严乙铭教授ACB：费米能级调制增强WO3-C3N4界面电场促进电催化氮还原反应

费米能级调制增强WO₃-C₃N₄界面电场促进电催化氮还原反应

第一作者：王晓璇

通讯作者：杨志宇*，严乙铭*

单位：北京化工大学

氨(NH₃)是农业和化工行业重要的化工原料和能源载体。然而，传统的Haber-Bosch合成NH₃需要高温高压条件，导致能源消耗过多。为了克服这些挑战，电催化氮还原反应作为一种潜在的“绿色”NH₃生产方法被广泛研究。通过ENRR生产氨的效率受到电催化剂表面的氮吸附和活化困难的限制。近年来，界面电场因为可以聚集反应物、促进电催化剂与吸附剂之间的电子交换、调节反应的热力学势垒被广泛研究。在多相催化剂中通过费米能级调制来增强界面电场是一种有效的方法。两种半导体材料之间的费米能级间隙越大，异质结中电荷分布越不均匀，界面电场越强。尽管费米能级调制在增强各种催化剂体系的界面电场方面取得了很有前景的结果，但其促进非均相ENRR催化剂的潜力还未被充分探索。

近日，北京化工大学的严乙铭教授，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Enhancing interfacial electric field in WO₃-C₃N₄ for electrocatalytic nitrogen reduction through fermi level modulation”的观点文章。该研究报道了通过提高WO₃中氧空位浓度来扩大WO₃与C₃N₄之间的费米能级间隙，可以增强WO₃-C₃N₄-R异质结构中的界面电场，这是加速ENRR动力学的有效策略。扩大的费米能级隙使更多的电子从WO₃相转移到C₃N₄相，从而产生一个增强的界面电场，为在W位点上捕获和激活N₂提供了额外的驱动力。所得WO₃-C₃N₄-R具有较好的电化学氮还原性能。

要点一：构建富含Ovs的WO₃-C₃N₄异质结

该团队首先利用硼氢化钠还原方法合成了富含Ovs的WO₃-C₃N₄异质结，通过一系列技术如：XRD、XPS、FTIR、EPR 和 HRTEM等证明了WO₃-C₃N₄-R材料的合成成功。

要点二：WO₃-C₃N₄-R异质结增强的界面电场

本文通过Zeta电位、KPFM及功函数的测试，证明通过提高WO₃中氧空位浓度来扩大WO₃与C₃N₄之间的费米能级间隙的策略，可以增强WO₃-C₃N₄-R异质结构中的界面电场。

要点三：优异的NRR性能

电化学实验结果显示WO₃-C₃N₄-R具有较高的氨产率和选择性，且可以在保持相对好的稳定性。

要点四：增强催化作用的机理

为了全面了解WO₃-C₃N₄-R结构对提高ENRR性能的内在影响，进行了原位测试和密度泛函理论（DFT）计算。实验及计算结果强有力地验证了WO₃-C₃N₄-R结构可以引起增强的界面电场，从而促进N₂在催化剂表面的吸附和极化。

Enhancing interfacial electric field in WO₃-C₃N₄ for electrocatalytic nitrogen reduction through fermi level modulation

严乙铭教授，北京化工大学教授、博导，国家高层次人才。主要从事电化学催化、电化学水处理以及新能源材料与技术研究。已发表SCI论文80余篇。获北京市科学技术一等奖，国家自然科学二等奖。

王晓璇，北京化工大学化学工程学院博士研究生，主要从事电化学催化的研究。以第一作者身份在国内外知名期刊发表论文7篇，申请发明专利2项。