深圳大学|米宏伟特聘研究员 AEM综述性文章：二维材料在光催化和电催化合成氨中的应用和优势- 大数跨境

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深圳大学|米宏伟特聘研究员 AEM综述性文章：二维材料在光催化和电催化合成氨中的应用和优势

科学材料站

2021-01-21

导读：该文首次总结了光催化和电催化N2RR催化剂的最新研究进展，重点介绍了光生载流子在二维结构上的转移和分离、N2分子在缺陷位点的吸附和活化以及新活性中心的形成，同时提出了这一新兴领域面临的主要挑战和未来展

文章信息

二维材料在光催化和电催化合成氨中的应用和优势

第一作者：张国强

通讯作者：米宏伟*

单位：深圳大学化学与环境工程学院

研究背景

氨（NH3）是农业生产、化学品以及能源化学的关键工业原料。目前，工业NH3的生产主要采用Haber-Bosch反应，需要氮气（N2）和氢气在高温（400-500℃）和高压（15-25MPa）下使用铁基催化剂合成。因此，NH3的工业生产约占全球能源消耗的2%和二氧化碳排放量的1.6%。因此开发低成本和环境友好的人工NH3合成方法迫在眉睫。通过丰富的N2、H2O以及可再生的太阳能和电能合成NH3，使光催化和电催化N2还原反应（N2RR）得以在非常温和的反应条件下进行。

二维催化剂，包括光催化剂（TiO2、铋基材料、层状双金属氢氧化物（LDH）、C3N4、Fe@石墨烯以及MoS2等）和电催化剂（金属、石墨烯、碳、氮化硼（BN）、碳化硼（B4C）、黑磷（BP）、硼和过渡金属氧化物/硫化物/氮化物/磷化物等），由于其独特的物理、化学和电子性质，已成为N2RR的明星材料。为了深入理解二维结构与N2RR活性之间的关系，有必要了解光生载流子在二维结构上的转移和分离，N2分子在缺陷位点的吸附和活化，以及新的活性中心的形成。

目前对光催化和电催化二维材料系统的总结，主要集中在水分解方面，关于N2RR的报道很少。最重要的是，还没有文献系统地总结N2RR在2D材料中的应用，这对于通过优化电荷分离效率和活性中心来设计高效的2D催化剂具有重要意义。

文章简介

近日，深圳大学化学与环境工程学院的米宏伟特聘研究员团队，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Recent Progress in 2D Catalysts for Photocatalytic and Electrocatalytic Artificial Nitrogen Reduction to Ammonia”的综述性文章。

该文首次总结了光催化和电催化N2RR催化剂的最新研究进展，重点介绍了光生载流子在二维结构上的转移和分离、N2分子在缺陷位点的吸附和活化以及新活性中心的形成，同时提出了这一新兴领域面临的主要挑战和未来展望。

图1. 二维材料在光催化和电催化固氮中的优势。

本文要点

要点一：光催化和电催化固氮合成氨的意义、机理和挑战

与工业Haber-Bosch反应相比，光催化和电催化N2RR具有明显的优势和诱人的前景。仅以太阳能或电能为能量输入，以水为质子源，使其更清洁和更可持续。N2RR是一个六电子-质子过程，包括N2的吸附、N≡N键的活化和断裂、N2分子或N原子的加氢和NH3的脱附。

具有挑战性的N2RR主要体现在：强的N≡N三键决定了N2分子的活化和解离非常困难；N2分子大的能隙（10.82eV）和高电离能（15.58 eV），使得单电子转移反应变得困难；该过程涉及多电子-质子转移和中间产物，导致动力学较慢；N2还原电位与析氢反应相近，竞争性析氢反应是N2RR的重要障碍。

要点二：二维光催化固氮催化剂

二维催化剂通常具有更短的载流子扩散距离、高的比表面积以及更多的空位类型的缺陷和暴露的边缘位点。

这些优势有利于光生载流子的分离和N2分子的吸附活化。由于二维材料的迅速发展和巨大优势，通过构建二维结构来提高光催化N2RR的性能具有十分重要的意义。目前报道的二维N2RR光催化剂主要有TiO2、铋基材料、层状双金属氢氧化物、C3N4、Fe@石墨烯和MoS2等。

要点三：二维电催化固氮催化剂

超薄二维材料通常比体材料具有更多的空位类型的缺陷和暴露的边缘位点，导致了不同于体材料的电子性质，从而增加了N2分子在催化剂上的吸收能。

杂原子掺杂可以进一步优化二维材料中的电荷分布，从而促进新缺陷和活性位点的形成，进而提高电催化N2RR性能。常用的二维N2RR电催化剂，包括金属、石墨烯/碳/BN/B4C/BP/B和过渡金属氧化物/硫化物/氮化物/磷化物等。

要点四：前瞻

光催化和电催化N2RR工业应用时，首先要考虑NH3的产率、催化剂的寿命、NH3的分离以及N2RR过程中的副反应。

其次，N2RR的光催化和电催化机理尚处于初级阶段，对N2RR活性位点的识别十分迫切。先进的原子尺度表征和原位技术结合理论计算，使研究N2RR过程和识别活性位点成为可能。

此外，收集可靠的固氮数据和准确检测氨氮迫切需要。特别是在用显色法测定氨氮时，一些不可避免的干扰（如氮杂质、pH值、牺牲剂和金属离子）会导致检测结果不可靠。一些影响测试结果的氮源（催化剂、电解液、原料气、水、环境和用于氨分析的试剂纯度等）也尽可能的需要排除。

尽管面临着巨大的挑战，在温和条件下多相催化合成NH3对于减少我们对化石燃料的依赖和减轻气候变化的影响具有很大的希望。通过研究人员的不懈努力，我们坚信在不久的将来，可以构建出更高效、更稳定、更具选择性的N2RR催化剂，最终实现NH3的工业化生产。

文章链接

“Recent Progress in 2D Catalysts for Photocatalytic and Electrocatalytic Artificial Nitrogen Reduction to Ammonia”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202003294

通讯作者介绍

米宏伟，女，博士，深圳大学化学与环境工程学院特聘研究员，深圳市高层次人才。

2014年博士毕业于中国地质大学（武汉），2019-2020年美国佐治亚理工学院访问学者，主要从事新能源材料的前沿研究，包括二维材料的制备及其光催化方面的应用，微纳材料的制备及其在锂/钠离子电池、锌离子电池等能源器件中的应用和电极材料的回收利用。先后主持国家自然科学基金项目3项，广东省自然科学基金项目1项，深圳市基础研究项目2项，在Advanced Materials.、Advanced Energy Materials、Nano Energy等国际学术期刊发表论文60余篇，申请10余项中国发明专利（3项已授权），获广东省自然科学奖二等奖1项。

第一作者介绍

张国强副研究员。

2012年本科毕业于兰州大学物理学院，2017年获中国科学院大学博士学位，现任深圳大学化学与环境工程学院副研究员。长期从事光催化分解水产氢和固氮光催化剂的研究和开发。目前以第一作者在Advanced Energy Materials（2）、Nano Energy、Applied Catalysis B: Environmental（2）、Journal of Materials Chemistry A、ChemSusChem（2）、Nanoscale、Science China Materials（2）及Materials Today Energy等催化和材料领域知名期刊上发表论文14篇，封面文章1篇。获得中国博士后基金一等资助和广东省基础与应用基础研究基金青年基金项目，以及2018-2019年新加坡国立大学访问学者。

课题组介绍

课题组主要开展微纳材料结构化学方面的研究，致力于推动化学、能源与环境等方面的应用，主要研究方向：（1）锂/钠离子电池、锌离子电池和超级电容器电极材料的研发；（2）固态电解质和固态电池的研发；（3）光催化分解水产氢和固氮光催化剂的研发；（4）电池的回收利用及光催化降解。

课题组招聘

课题组长期招聘化学、材料、环境科学与工程等相关专业博士，包括新能源材料、计算材料学、电催化、光催化、新型能源器件及应用等方向。应聘博士应热爱学术研究，在国际刊物上发表过学术论文，并有志于在科研领域继续发展；同时具有较强的独立科研能力、进取心和良好的团队合作精神。

工作待遇：年薪35万以上。除按深圳市和深圳大学博士后规定享受相关待遇，研究组将会每月发放一定的额外补贴，优秀者待遇从优。

欢迎咨询，邮件：milia807@szu.edu.cn。