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【顶刊综述】苏超教授/徐立强教授/邵宗平教授 CSR综述：二维纳米材料在电催化N2还原合成NH3领域的研究进展

科学材料站

2021-10-19

导读：该综述针对应用于电催化N2还原合成NH3的二维纳米材料的最新进展进行了系统性介绍。

文章信息

二维纳米材料电催化N2还原合成NH3

第一作者：逄颖平

通讯作者：苏超*，徐立强*，邵宗平*

单位：a山东大学，b江苏科技大学，c澳大利亚科廷大学

研究背景

氨（NH3）不仅可以作为维持机体功能必不可少的化学物质，还可以将其作为氮肥原料用于现代农业。目前，工业界普遍采用Haber-Bosch工艺用于NH3生产，每年消耗全球~1%的天然气，占全球1%的能源消耗量，每年二氧化碳（CO2）排放量占全球~1%。如此巨大的能源消耗，及其带来环境问题，促使我们必须要寻找一条清洁的、可持续的和绿色的合成NH3固定途径。

鉴于此，将氮气（N2）电还原转化为NH3，成为除传统Haber-Bosch工艺之外，一项新的策略。而开发具有优异的选择性、活性和稳定性的电催化剂则是电化学氮气还原反应（NRR）研究的重点。

二维纳米材料具有诸多特点，例如：表面活性位多、比表面积大，导电性高、表面缺陷丰富，以及电子特性易于调节等等，因此，二维纳米材料极易吸附和活化N2，可以实现持续的NRR。

文章简介

基于此，来自江苏科技大学的苏超教授、山东大学的徐立强教授，以及南京工业大学的邵宗平教授，在国际顶级综述期刊Chemical Society Reviews上合作发表题为“Emerging Two-Dimensional Nanomaterials for Electrochemical Nitrogen Reduction”的文章。

该综述针对应用于电催化N2还原合成NH3的二维纳米材料的最新进展进行了系统性介绍。作者重点介绍了NRR的基本原则和关键指标。并基于NRR的基本原理，讨论了高效的二维NRR电催化剂的构筑方法（包括原子掺杂、缺陷构筑和界面工程）。

此外，作者还介绍了最新的二维纳米电催化剂在电化学NRR中的研究进展，旨在全面认识二维电催化剂的结构与NRR性能之间的“构效”关系。最后，作者提出了电催化NRR面临的机遇、挑战以及未来发展趋势。

图1. 二维（2D）纳米材料电催化N2还原合成NH3。

文章要点

要点一：N2电化学还原反应的基本原理

为了实现高效的电催化NRR，该综述对整个反应中的热力学/动力学、N2分子吸附/活化、反应途径、scaling关系和反应活性评价等方面展开讨论，旨在加深对整个NRR过程的认识和了解。以期合理设计和开发应用于NRR的具有优异的物理化学性质的二维电催化剂。

要点二：NH3的检测和量化

常温常压下，电催化NRR过程中NH3产率较低（10 – 1000 nmol），导致即使痕量的NH3污染都可能影响实验结果的准确性和可靠性，因此，该综述详细介绍了一系列NH3检测方法：奈斯勒试剂法，吲哚酚蓝法、水杨酸盐法、离子色谱法、氨气敏电极和铵离子选择性电极法、荧光法、电导法、以及滴定法。

需要注意的是，1H NMR已广泛用于同位素研究检测氨气，其中15N标记N2用作原料气以确认N的准确来源。

要点三：二维电催化剂的调控策略

根据电催化反应的原理，优异的电催化剂需要有丰富的活性位和本征活性位、优异的导电性、以及良好的稳定性，这与电催化剂的结构和表面电荷分布密切相关。鉴于此，由于独特的各向异性和电子结构，二维纳米材料拥有了独特的电催化NRR性能。

该综述从调节电子结构的角度，阐述了三种典型的二维纳米材料表面化学功能化策略（杂原子掺杂、缺陷工程和界面工程），用于提高二维催化剂电催化NRR的活性。此外，理论模拟对于预测和筛选具有高催化活性的二维电催化剂，以及揭示NRR机制也是必不可少的。

要点四：二维纳米材料电催化N2还原合成NH3的进展

介绍了最新的二维纳米电催化剂（包括二维贵金属、二维过渡金属、二维过渡金属氧化物/硫化物/磷化物/碳化物/氮化物、二维非金属、二维金属有机框架材料、以及二维复合材料）在电催化N2还原制备NH3的研究进展，旨在全面认识二维电催化剂的结构与NRR性能之间的“构效”关系。

要点五：前景展望

开发绿色的NRR电催化剂具有重大意义。然而，目前研究和报道的催化剂仍然存在诸多问题，例如：吸附能力弱、动力学缓慢、氢气析出反应（HER）的竞争性强、活性位不足、稳定性较差等等。

因此，通过合理的设计、新型的的制备技术、深入的理论研究、先进的表征手段、以及精准的NH3检测，能够建立起催化剂活性位与催化剂性能之间的对应关系，这必将大大地促进二维NRR电催化剂的发展。

文章链接

Emerging Two-Dimensional Nanomaterials for Electrochemical Nitrogen Reduction

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/cs/d1cs00120e

通讯作者简介

苏超教授。

2012年博士毕业于南京工业大学化学化工学院，师从邵宗平教授，随后在澳大利亚科廷大学从事博士后研究工作。其是澳大利亚Australian Research Council (ARC) Discovery Early Career Researcher Award（DECRA）的获得者。现为江苏科技大学能源与动力学院教授（江苏特聘教授）。长期从事应用于电化学能量转换与储存技术的功能性材料的研发。研究领域包括燃料电池、金属-空气电池、电解水等。至今在国际学术期刊上已发表学术论文70篇，被引用近3400次，h因子30（Web of Science）。

徐立强教授。

2005年毕业于中国科学技术大学获理学博士学位，师从钱逸泰教授；2012年5月-2013年5月在新加坡南洋理工大学做Research Fellow, 师从李长明教授、陈鹏教授。现为山东大学教授，博士生导师，中国化学会高级会员、山东省高层次人材。近年来一直致力于新型高性能二次电池及电催化相关材料的新颖制备方法探索、结构与性能调控及其实际应用等;至今在国际学术期刊上已发表SCI收录论文120余篇并获邀撰写综述论文及封面论文多篇，相关论文已被他引5000余次；获授权国家发明专利16项；2020年获山东省自然科学二等奖1项（排名第一位）。

邵宗平教授。

2000年博士毕业于中国科学院大连化学物理研究所，随后分别在法国里昂催化研究所，以及美国加州理工学院从事博士后研究。现任南京工业大学材料化学工程国家重点实验室特聘教授，澳大利亚科廷（Curtin）大学John Curtin杰出贡献教授。其为国家自然科学基金杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，国家万人计划，国家百千万人才工程，科技部中青年科技领军人才，霍英东青年基金获得者，教育部新世纪优秀人才，澳大利亚Australian Research Council (ARC) Future Fellow。其长期从事以氧化物快离子导体为基础的高效电化学能量储存与转换技术的前沿研究。主要研究方向包括燃料电池、锂离子电池、金属-空气电池、太阳能电池、透氧膜等。自2017年起，其一直被认定为高被引学者（Clarivate Analytics）。到目前为止，其已经在国际知名学术期刊，包括Nature、Science、Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、Nature Communications、Energy & Environmental Science、Advanced Materials等上发表学术论文近700篇，被引用近40000次，h因子90（Web of Science）。

第一作者简介

逄颖平博士。

获国家公派资格，于2020年在澳大利亚科廷大学获得博士学位。目前在山东大学徐立强教授课题组做博士后研究。主要从事二维材料的合成和改性，及其在储能和催化方面的应用。以第一作者在Chemical Society Reviews、Advanced Materials、The Journal of Physical Chemistry Letters、Chemistryselect和RSC Advances等期刊发表论文5篇，并获国际PCT专利一项。