兰州交通大学Small：Nb2CTx-MXene负载BN量子点对电催化氮还原的协同增强效应

第一作者：李兴川

通讯作者：褚克*

单位：兰州交通大学

【研究背景】

氨（NH₃）是一种高效的氢燃料载体，是一种在人类社会中发挥着重要作用的重要化学品。用于工业规模NH₃合成的传统Haber-bosch工艺需要高压和高温的反应条件，从而导致大量的能源消耗和碳排放。因此，迫切需要开发一种节能环保的替代NH₃合成路线。电化学法合成氨已被广泛认为是最绿色、最有前途的氨合成的途径。然而，由于N₂强的非极性键的存在，以及由于不希望发生竞争性析氢反应(HER)导致的电位限制降低了电化学合成氨的法拉第效率(FE)。为了解决这些问题，亟需开发高效的催化剂，以降低N₂活化势垒并阻碍HER。

【文章简介】

近日，来自兰州交通大学材料学院的褚克副教授，在国际知名期刊Small上发表了题为“Synergistic Enhancement of Electrocatalytic Nitrogen Reduction Over Boron Nitride Quantum Dots Decorated Nb₂CT_x-MXene”的研究文章。该文章详细介绍了Nb₂CT_x-MXene负载BN量子点（BNQDs@Nb₂CT_x）的合成及其电催化NRR性能，并通过第一性原理计算研究了BNQDs@Nb₂CT_x的NRR催化机理。

图1. BNQDS@Nb₂CT_x的合成过程示意图

【本文要点】

要点一：

BNQDs可以和Nb₂CT_x自组装形成BNQDs@Nb₂CT_x异质结构，BNQDs@Nb₂CT_x表现出优异的NRR性能，主要来自于二者多方面的协同作用：1）BNQDs@Nb₂CT_x界面电子强耦合增强了整体的导电性，有利于NRR过程的电子传输；2)Nb₂CT_x限制了BNQDs聚集，而BNQDs作为间隔物阻止了Nb₂CT_X纳米片的堆积，最大化暴露了活性位点；3)BNQDs具有HER惰性特点，可限制Nb₂CT_x表面的析氢反应，从而提升了NRR选择性；4)BNQDs表面具有丰富的N₂吸附位点，有利于N₂的吸附。

要点二： 

DFT计算进一步表明：BNQDs和N₂CT_x的协同作用能够创建高活性界面-B位点，界面-B位点作为主要的活性中心，具有很强的π-电子反馈能力来促进N₂的活化。NRR过程中，N₂分子优选吸附在界面B位点上，而Nb₂CT_x表面的O位点倾向于吸附H。然后在施加电压的情况下，界面-B位点吸附的N₂可与Nb₂CT_x表面O位点提供的H结合进行连续加氢反应，从而促进了NRR过程的持续进行。

图2. a) BNQDs的TEM图像（插图：BNQDs尺寸分布）。b) 纯N₂CT_x纳米片的TEM图像。c) BNQDs@Nb₂CT_x的TEM图像。d) 纯Nb2CTx 纳米片的HRTEM图像。e) BNQDs@Nb₂CT_x的HRTEM图像和 f) 相应的彩色图像。g) BNQDs@Nb₂CT_x的高倍HRTEM图像（插图：黄色圆圈区域的快速傅立叶变换 (FFT) 图像）。h) BNQDs@Nb₂CT_x的STEM和相应的元素映射图像。

图3. a）BNQDs和BNQDs@Nb₂CT_x的XRD图谱。b-f) BNQDs@Nb₂CT_x的XPS光谱：B1s (b)； N1s (c); Nb3d (d); C1s (e); O1s (f)。g) BNQD 和 h) Nb₂CT_x的平均电位分布。 i) BNQDs 和 Nb₂CT_x 之间的电子转移示意图。 j) BNQDs@Nb₂CT_x的电子定位函数图像。k) BNQDs和BNQDs@Nb₂CT_x的 PDOS。

图4. a) BNQDs@Nb₂CT_x在各种溶液中的LSV曲线。 b,c) 获得的NH₃产率和FE（三个测量值）。 d) BNQDs、Nb₂CT_x和BNQDs@Nb₂CT_x在相同条件下在-0.4 V的NRR电解2小时后的NH₃产率。e) ¹H NMR测量。f) Ar/N₂交替循环试验。g) 循环测试。h) 长期计时电流法测试。i) 在-0.4 V下初始和后NRR电解（24小时后）的NH₃产率。

图5. a) Top-B位点上N₂吸附的优化结构。b) 界面B位点上N2吸附的优化结构，以及c) 相应的电荷差异。 d) 在top-B 和interface-B 位点上*N₂的PDOS。 e) 在零和-0.71 V的应用能量下界面-B位点上反应途径的自由能分布。f) BNQDs@Nb₂CT_x的NRR过程机理图。

【文章链接】

Synergistic Enhancement of Electrocatalytic Nitrogen Reduction Over Boron Nitride Quantum Dots Decorated Nb₂CT_x-MXene

https://doi.org/10.1002/smll.202102363

【通讯作者简介】

褚克简介：兰州交通大学副教授，长期从事新能源和热能管理用纳米复合材料的研究和开发。以通讯作者身份在Small, Carbon, Appl. Catal. B, J. Mater. Chem. A, Chem. Commun., Energy Environ. Mater., Nano Res. 等刊物上发表了80余篇研究论文，被引用4600余次，先后有22余篇论文被评为ESI高被引/热点论文。

本文由作者投稿。