兰州交通大学AEM：氧空位和异质结对MoO3-x/MXene电催化氮还原的协同作用机理

邃瞳科学云

2021-12-24

导读：该文章通过构建富氧空位MoO3-x/MXene 催化剂，综合利用电化学原位光谱分析、分子动力学模拟以及密度泛函理论（DFT）计算，深度揭示了氧空位和异质结对NRR的协同作用机理。

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通讯作者：褚克

通讯单位：兰州交通大学

研究背景

氨（NH₃）在国民经济中发挥着十分重要的作用。用于工业合成氨的Haber-bosch工艺需要高温高压的反应条件，导致大量的能源消耗和碳排放。在当前 “双碳”政策下，具有零碳排放特性的电催化氮还原（NRR）合成氨技术极具发展前景，而其中NRR催化剂在N₂的吸附和活化中起关键作用。大量研究表明，构建空位或异质结策略可有效提升NRR催化剂的活性。然而迄今为止，空位和异质结对NRR催化剂的协同作用机理仍缺乏系统而深入的研究。

工作介绍

近日，来自兰州交通大学材料学院的褚克教授课题组在《Advanced Energy Materials》上发表了题为“Unveiling the Synergy of O-Vacancy and Heterostructure over MoO_3-x/MXene for N₂Electroreductionto NH₃”的研究文章。该文章通过构建富氧空位MoO_3-x/MXene 催化剂，综合利用电化学原位光谱分析、分子动力学模拟以及密度泛函理论（DFT）计算，深度揭示了氧空位和异质结对NRR的协同作用机理。

图文解析

一、通过“水热+热还原”两步法制备了MoO_3-x/MXene异质结催化剂，并对其形貌结构进行了详细表征。

图1. MoO_3-x/MXene的制备及形貌表征

图2. MoO_3-x/MXene的结构表征及电子结构DFT计算

二、MoO_3-x/MXene催化剂表现出较高的NRR催化活性，在–0.4 V电位下的NH₃产率为95.8 μg h−1 mg−1，法拉第效率为22.3%，优于绝大部分报道的MXene基NRR 催化剂。

图3. MoO_3-x/MXene的NRR性能

三、原位拉曼光谱，分子动力学模拟和DFT计算表明，MoO_3-x/MXene中的氧空位为NRR活性中心，可有效吸附和活化N₂分子，且降低第一加氢步骤的能垒，但氧空位对中间体的吸附过强，不利于NH₃的脱附。

图4. 电化学原位拉曼光谱分析

图5. N₂吸附过程的分子动力学模拟

图6. NRR性能的DFT计算

四、原位红外光谱和分子动力学模拟表明，MXene和MoO_3-x的异质结协同作用可进一步优化氧空位的电子结构，打破比例关系，降低氧空位对中间体的吸附强度，从而利于NH₃的脱附，加速加氢反应循环。

图7. 电化学原位红外光谱分析和NH₃脱附过程的分子动力学模拟

总结与展望

该工作通过多种表征分析手段全面系统地揭示了氧空位和异质结在电催化氮还原反应过程中的协同作用机理。该工作的研究结果为开发高性能MXene异质结催化剂提供了新的理论基础及实验依据。

通讯作者介绍

褚克，兰州交通大学教授，甘肃省飞天学者，长期从事金属基复合材料及新能源材料的研究和开发。在Adv. Energy. Mater，Adv. Funct. Mater.，Small，Carbon，Appl. Catal. B，J. Mater. Chem. A，J.Energy. Chem., Nano Res. 等国内外知名期刊发表论文100余篇，总被引用5000余次，先后有25余篇论文入选ESI高被引/热点论文。