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

钢铁侠 2年前 (2021-12-24) 2447浏览

【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。

【文章简介】

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 MoO3-x/MXene for N2 Electroreduction to NH₃”的研究文章。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。

【本文要点】
要点一：所制备的MoO3-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。

要点二：原位拉曼光谱，分子动力学模拟和DFT计算表明，MoO3-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。

要点三：原位红外光谱和分子动力学模拟表明，MXene和MoO3-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1. MoO3-x/MXene的制备及形貌表征