湖南大学AEM ：单原子钌掺杂MXene助力电催化N2还原- 大数跨境

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湖南大学AEM ：单原子钌掺杂MXene助力电催化N2还原

科学材料站

2020-05-27

导读：本文报道了单原子钌改性Mo2CTX-MXene纳米片作为环境条件下固氮的高效电催化剂。操作数X射线吸收光谱研究和密度泛函理论计算表明，固定在MXene纳米片上的单原子Ru是N2活化的重要电子反馈中心，

Mo2CTX-MXene缺陷中的自发钌原子掺杂增强了氮还原反应的电催化活性

湖南大学

导读

电化学氮还原反应（NRR）由于N≡N解离缓慢，其法拉第效率和氨产率极低。

近日，湖南大学的谭勇文教授等人在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Spontaneous Atomic Ruthenium Doping in Mo2CTX MXene Defects Enhances Electrocatalytic Activity for the Nitrogen Reduction Reaction”的文章。本文第一作者是彭伟。

本文报道了单原子钌改性Mo₂CTX-MXene纳米片作为环境条件下固氮的高效电催化剂。操作数X射线吸收光谱研究和密度泛函理论计算表明，固定在MXene纳米片上的单原子Ru是N₂活化的重要电子反馈中心，它不仅能促进催化剂的氮吸附和活化行为，而且能降低催化剂的热力学能第一步加氢的屏障。这项工作为利用原子级工程策略操纵电催化剂的催化性能开辟了一条有前途的途径。

背景简介

1.NRR目前挑战

天然富氮（N₂）合成氨（NH₃）对农业和工业生产具有重要意义。然而，NH₃主要是由传统的工业Haber‐Bosch法合成，涉及高温高压条件，由于天然气蒸汽重整制氢原料的存在，造成了严重的CO₂排放。电化学氮还原被认为是一种节能环保的工艺，可以利用可再生的太阳能或风能在环境条件下合成NH₃。不幸的是，电化学氮还原反应（NRR）过程中，由于N₂吸附极弱，N≡N键断裂缓慢，氨产率和法拉第效率较低。近年来，各种材料，包括金属，金属碳化物，金属氧化物，金属硫化物，和氮化物等，已经发展成为用于N₂固定NH₃的电催化剂。然而，电化学N₂还原由于反应动力学缓慢、N₂吸附和活化能力低而受到严重阻碍。因此，合理设计能有效降低N≡N的活化势垒，加速N≡N的解离的高效NRR电催化剂的活性中心，这仍然是一个极具挑战性但至关重要的问题。

2.MXenes材料在NRR中的应用

MXenes是一种新型的二维材料，由于其优异的金属导电性，在能量存储和转换方面已经显示出巨大的潜力，亲水性和离子输运性质。理论计算表明，含有金属原子（特别是钼原子）的MXenes具有有效的亲氮性，并能在环境条件下促进N₂转化为NH₃。事实上，带有端基的MXenes的基面对N₂的吸附是惰性的，这需要克服N₂加氢的高能量屏障。只有具有暴露的金属位的边缘平面更适合进行NRR，这导致了不理想的选择性和氨的产率。另外，最近的研究表明，具有低化学价的金属位有可能增强N2分子π*反键轨道的电子回馈能力，从这个角度来看，一些单原子金属催化剂，如钌，能与氮气和中间产物强烈结合，从而降低过电位，提高水电解质中NRR的速率，这有力地表明，单原子Ru改性催化剂与非改性催化剂相比，NRR催化活性有显著提高，利用具有更有效活性中心的单原子工程2D-MXene是一种提高N₂吸附活化能力、构建高性能NRR催化剂的可行策略。

核心内容

在此，作者报道了一种用于环境条件下高效电催化NRR的单原子Ru改性Mo₂CTX-MXene纳米片（称为SA-Ru-Mo2CTX）。制备的超低单原子Ru负载的SA-Ru-Mo₂CTX催化剂具有较高的NRR活性、较高的NH₃产率、法拉第效率和良好的稳定性，优于大多数报道的NRR催化剂。操作数X射线吸收光谱和密度泛函理论（DFT）计算进一步表明，在Mo₂CTX-MXene纳米片中同时引入单原子Ru，对催化中间吸附和电子回馈中心起着重要的作用，有效地促进了N₂的活化，降低了第一步加氢的热力学势垒，从而有利于吸附N₂的进一步加氢。

图1. 电化学氮还原反应（NRR）性能

文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202001364

老师简介:

谭勇文教授

谭勇文，国家高层次人才计划入选者，湖南大学“岳麓学者”，博士生导师。2012年获得上海交通大学材料学专业博士学位，随后赴日本东北大学原子分子材料科学高等研究机构从事博士后研究。近年来主要从事三维微纳结构金属功能材料及复合材料的设计、制备、复合及其应用研究，并取得了多项国际影响的研究成果。先后在Nature Commun., Adv. Mater., Energy. Environ. Sci.,Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater.等高水平SCI期刊发表相关论文20余篇，其中第一作者/通讯作者发表影响因子＞20的6篇、影响因子＞10的11篇。申请国家发明专利6项。获Nature China等科技媒体典型评价30余次。近年来主要从事三维微纳结构金属功能材料的设计、制备、复合及其应用研究，并取得了多项国际影响的研究成果。研究工作多次被Nature、Nature China、Materials View等国际学术媒体作亮点报导，选为Hot papers 1次，选为封面论文2次，2篇入选“ESI高被引论文”。申请中国专利5项（已授权1项），申请日本专利2项。主持和参与国家自然科学基金、日本东北大学科研基金多项。

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