澳门大学潘晖教授 AFM综述：电催化氮还原催化剂的进展- 大数跨境

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澳门大学潘晖教授 AFM综述：电催化氮还原催化剂的进展

科学材料站

2021-01-01

导读：该综述重点介绍了电化学合成NH3机理的见解，并建议了用于实验中氨气检测的可靠方案。可以预期，该综述将为开发先进的催化系统以通过N2还原产生氨提供有深刻见解的指导。

文章信息

电催化氮还原催化剂的进展

第一作者：刘东

通讯作者：王双鹏，陈石，邢贵川，潘晖

单位：澳门大学，新加坡国立大学

研究背景

电催化氮还原（e-NRR）被认为是在环境条件下生产氨的一种有效、清洁和可持续的策略。从热力学角度讲，电催化氮还原的能量效率应比Haber-Bosh法高20%左右。然而，事实证明，有效的电催化氮还原在实践中是非常具有挑战性的，因为它需要大量的能量来打破非极性氮分子的三键。

此外，在e-NRR中，析氢反应一直是一个竞争过程，因为其理论电压小于e-NRR。众所周知，e-NRR的关键成分是电催化剂。因此，寻找新的电催化剂来克服这些挑战性问题对于e-NNR在工业上的实际应用具有重要意义。本文系统地讨论了e-NRR新型电催化剂的最新进展、设计原理以及提高效率和克服挑战的机制是非常重要的。

文章简介

近日，来自澳门大学的潘晖教授，在国际知名期刊Advanced Functional Mateirals上发表题为“Development of electrocatalysts for efficient nitrogen reduction reaction under ambient condition”的综述文章。

本文综述了电化学合成氨气的机理，并提出了一种可靠的氨气检测方法。系统总结了新型电催化剂的最新进展，包括贵金属基材料、单金属原子催化剂、非贵金属及其化合物（如氧化物、氮化物、硫化物、磷化物和碳化物）和无金属材料，在实验和理论研究中获得了有效的e-NRR。

通过增加暴露的活性位点或调整电子结构来改善催化性能的各种策略，包括表面控制、缺陷工程和杂化。

最后，概述了本文的观点和面临的挑战。该综述可望为开发利用N2还原制氨的先进催化体系提供有见地的指导。

本文要点

要点一：电催化固氮机理

作为重要的催化过程之一，非均相催化涉及催化剂表面上反应物的反应。e-NRR是典型的非均相反应之一，它包括三个基本步骤：

（i）将二氮分子吸附在催化剂表面的催化活性位上

（ii）氢化

（iii）NH3分子（或其他中间体）的解吸

根据不同的氢化（质子化和还原）顺序和NN三键的断裂，e-NRR通常分为解离和缔合机制（图1）。

最近，Abghoui和Skúlason提出了一种新的反应机制，即：Mars-van Krevelen机制，它可能比传统的分离和缔合机制更有优势（图1e）。在Mars-van Krevelen机制中，过渡金属氮化物表面的晶格N原子被还原为氨，从而产生N空位。这些空位将化学吸附氮分子，使e-NRR持续发生。我们发现化合物中的N原子最初参与了e-NRR，这与传统的机理不同。

图1.在电催化剂上进行氮还原反应的示意图。

要点二：推荐e-NRR测试方法

为了准确评估e-NRR催化剂的催化活性，有必要建立一种可靠的产氨检测方法。最常用的方法是比色法，包括Nessler试剂法和吲哚酚蓝法，然而其中溶液中的金属离子或pH值可能会干扰测试结果。因此，将比色法与其它方法（如离子选择电极分析法）相结合，使氨的检测更具说服力是必不可少的。

此外，值得注意的是，由于催化剂中可能存在含氮物质（硝酸盐、胺、亚硝酸盐和氮氧化物），电解质，空气，人类呼吸和离子传导膜。因此潜在的污染可能会使检测到的氨产生错误的结果，尤其是当氨的产量非常低时。建议使用严格的对照测试来检测污染物。

图2. 可靠的电化学还原氮的测试方法。

要点三：电催化氮还原催化剂的总结

我们系统地总结了在实验和理论研究中获得有效的e-NRR新型电催化剂，包括单金属原子催化剂，贵金属基材料，非贵金属及其化合物（例如氧化物，氮化物，硫化物，磷化物和碳化物）和无金属材料。

图3. e-NRR电催化剂设计策略的示意图。

要点四：设计e-NRR催化剂的策略

仔细讨论了通过增加暴露的活性位点或调整电子结构来提高催化性能的各种策略，包括表面控制，缺陷工程和杂化。具体而言，控制晶面是通过增强N2的吸附，活化和氢化作用并防止HER，使高活性表面暴露于e-NRR中的反应物。

另外，无定形催化剂处于具有大量不饱和配位点的亚稳态，其催化活性高于结晶催化剂。其次，缺陷工程可以调节电子结构并影响反应中间体的表面吸附性能。氧空位可以操纵金属氧化物的电子结构以增强导电性，并且还可以充当吸附反应物和反应中间体的活性位点，从而降低活化能垒。掺杂不仅可以调节反应物的吸附能力，而且可以修饰表面电子缝合线。

最后，杂化可以加速电子和离子的转移，从而减少动力学反应的障碍。这种有吸引力的方法是将电催化剂以高表面积和导电率分散在载体上，这可以有效地分散和减少纳米催化剂的聚集，并增强电荷输送。

要点五：结论和前瞻

有效的e-NRR在很大程度上取决于旨在解决相互关联的竞争挑战：选择性，效率和稳定性的电催化剂。

这篇综述总结了e-NRR新型电催化剂的最新研究进展，包括贵金属和非贵金属，它们的化合物和无金属材料。贵金属中的Au和Ru，Mo基，氧化铌，掺杂碳和他们的化合物/复合物被认为潜在的e-NRR催化剂，用于未来的深入研究。其中大多数催化剂只能生成NH3作为e-NRR产物，但发现Au在某些情况下可以生成N2H4。

此外，DFT计算和实验工作的结合表明，水溶液中异质表面上的e-NRR通常遵循缔合机理（远距离或交替缔合），而过渡金属氮化物上的e-NRR遵循独特的MvK反应路径。

文章链接

Development of electrocatalysts for efficient nitrogen reduction reaction under ambient condition

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202008983

通讯作者介绍

王双鹏助理教授。

澳门大学应用物理与材料工程研究所的助理教授。他于2011年获得中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的博士学位。他的研究兴趣集中在金属氧化物，界面态及其光电应用方面。

陈石助理教授。

澳门大学应用物理与材料工程研究所的助理教授。他于2012年获得新加坡国立大学博士学位。他的研究兴趣集中在低维材料的表面和界面特性上。

邢贵川副教授。

澳门大学应用物理与材料工程研究所副教授。他于2011年在新加坡国立大学获得物理学博士学位，然后于2009年至2016年在新加坡南洋理工大学物理与应用物理系担任研究助理，研究员和高级研究员。他的研究兴趣在于超快激光光谱学，纳米光电子学，钙钛矿用于光收集和发光。

潘晖教授。

老师现为澳门大学应用物理及材料工程研究所教授。于2006年获得新加坡国立大学物理学博士学位，他的研究重点是实验和理论计算相结合，设计及制备纳米和薄膜材料，探讨其物理与化学性质，及其在太阳能电池、电化学储能、光/电催化，N2/CO2转化，电子自旋、及纳米器件的应用。

第一作者介绍

刘东澳门大学在读博士，导师是潘晖教授和邢贵川教授。

课题组介绍

潘晖教授于2006年获得新加坡国立大学物理学博士学位，2006年到2013年期间先后在新国大、美国橡树岭国家重点实验室、新加坡超级计算中心等国际顶尖科研机构以研究员和科学家身份从事新型功能纳米材料的计算设计和性能实验相关研究。2013年开始潘老师加盟澳门大学，他的研究融合了实验研究和理论计算，迄今为止，已经发表SCI论文190余篇，文章总引用达8500次，h-index为46。此外，潘老师还拥有4项中国专利及4项美国专利。

目前，课题组拥有完备的光电化学实验仪器，PLD和充足的科研经费。课题组已有多篇文章发表于Phys. Rev. Lett., Chem. Mater., ACS Nano, Advanced Energy Materials, Nano Energy, Applied Catalysis B: Environmental等国际顶尖期刊上。

课题组主页：https://iapme.um.edu.mo/staff/academic-staff/pan-hui/

通讯作者介绍

高薪诚聘博后，课题组从事以理论计算与实验研究相结合，设计及制备纳米和薄膜材料，探讨其物理与化学性质，及其在太阳能电池、电化学储能、光/电催化，电子自旋、及纳米器件的应用，真诚期待您的加盟。

联系方式：潘老师 huipan@um.edu.mo