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網(wǎng)站首頁(yè)/新材料/納米材料熱點(diǎn)/負(fù)載半金屬1T'-MoS2納米片的Ti3C2 MXene實(shí)現(xiàn)N2向NH3高效電催化轉(zhuǎn)化
負(fù)載半金屬1T'-MoS2納米片的Ti3C2 MXene實(shí)現(xiàn)N2向NH3高效電催化轉(zhuǎn)化

▲第一作者:陳曉悅


通訊作者:邵敏華、田健、韓野

通訊單位:山東科技大學(xué)、香港科技大學(xué)

論文DOI:10.1016/j.apcatb.2022.121277


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本團(tuán)隊(duì)首次通過一步水熱法在Ti3CMXene表面負(fù)載半金屬1T'相MoS2 (1T'-MoS2/Ti3C2復(fù)合材料)作為一種高效的非貴金屬固氮電催化劑。在0.1 M Na2SO4溶液中,1T'-MoS2/Ti3C2復(fù)合材料在-0.95 V vs. RHE時(shí)實(shí)現(xiàn)了31.96 μg h-1 mg-1cat.的高氨產(chǎn)率,在-0.70 V vs. RHE時(shí)達(dá)到了30.75%的法拉第效率(FE),這比單獨(dú)的純1T'-MoS2和純Ti3C2 MXene顯著出色,也好于2H-MoS2/Ti3C2復(fù)合材料和1T-MoS2/Ti3C2復(fù)合材料。


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背景介紹


氨(NH3)是最重要的化學(xué)物質(zhì)和無碳能源載體之一,全球年產(chǎn)量達(dá)1.5億噸,主要采用傳統(tǒng)的Haber-Bosch工藝生產(chǎn)。由于Haber-Bosch技術(shù)能耗高、溫室氣體排放量大,推行綠色、可持續(xù)的NH3生產(chǎn)策略具有重要意義。利用可再生電力,直接從N2和H2O電催化合成NH3已成為最具吸引力和重要的課題之一。在電化學(xué)氮還原反應(yīng)(NRR,N2+3H2O→2NH3+3/2 O2)中,只需要水、N2(可以用空氣代替)和電來生產(chǎn)NH3。催化劑已成為電催化NRR系統(tǒng)的核心組成部分。一些基于Mo的催化劑(包括Mo單原子、硫化物、氮化物和碳化物)已被認(rèn)為是N2活化的有前景的候選。其中,MoS2具有與天然固氮酶相似的結(jié)構(gòu)。然而,大多數(shù)報(bào)道的MoS2屬于2H相。與對(duì)NRR有活性的半開放邊緣結(jié)構(gòu)不同,2H-MoS2的基面是硫改性結(jié)構(gòu),催化活性較差。由于金屬1T-MoS2具有比2H-MoS2更多的暴露活性位點(diǎn)和更好的導(dǎo)電性,因此1T-MoS2的電催化NRR性能優(yōu)于2H-MoS2。半金屬1T'-MoS2作為1T-MoS2的衍生物,不僅保留了1T-MoS2優(yōu)異的導(dǎo)電性和大量暴露的基/邊活性位點(diǎn),而且具有良好的穩(wěn)定性,其NRR特性尚未研究。



03

本文亮點(diǎn)


1T'-MoS2/Ti3C2復(fù)合材料的最佳NRR性能可歸因于以下原因:首先,前人的工作已經(jīng)證明半金屬1T'-MoS2具有導(dǎo)電性并具有豐富的基/邊活性位點(diǎn),因此均勻分布1T'-MoS2/Ti3C2復(fù)合材料上的1T'-MoS2納米片可以為NRR提供大量活性位點(diǎn)。其次,Ti3C2 MXene作為基材,由于其良好的導(dǎo)電性,可以加快電子的傳輸,即使也可能導(dǎo)致HER的增強(qiáng),也可以實(shí)現(xiàn)更高的NH3產(chǎn)率。最后,少量TiO2半導(dǎo)體相的存在可以抑制更高的電位,可以獲得更高的法拉第效率。



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圖文解析


▲Figure 1. Schematic diagram of preparation process for 1T'-MoS2/Ti3C2 composites.



圖1為樣品合成示意圖。Ti3AlC2 MAX首先用HF蝕刻以去除Al層以獲得Ti3C2 MXene。然后通過水熱法引入1T'-MoS2納米片,該納米片錨定在Ti3C2 MXene上形成1T'-MoS2/Ti3C2復(fù)合材料。


 

▲Figure 2. XRD pattern of (a) bulk Ti3AlC2, Ti3C2 MXene and 1T'-MoS2/Ti3Ccomposites with various loading of 1T'-MoS2 nanosheets (5, 7, 10 and 15 wt.% 1T'-MoS2); (b) 1T'-MoS2


▲Figure 3. SEM images of (a) Ti3AlC2, (b) Ti3C2 MXene and (c, d) 1T'-MoS2/Ti3C2 composites (10 wt.% 1T'-MoS2), respectively. (e) TEM images of 1T'-MoS2/Ti3C2 composites (10 wt.% 1T'-MoS2). (f) HRTEM images of 1T'-MoS2/Ti3C2 composites (10 wt.% 1T'-MoS2, the inset shows the magnification of the area enclosed by the orange square).


通過XRD研究了1T'-MoS2/Ti3C2 MXene復(fù)合材料的晶相和微晶尺寸變化。SEM、TEM和高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描TEM (HRTEM)圖像(圖3)說明了典型的1T'-MoS2/Ti3C2復(fù)合材料的形態(tài)特征。
 

▲Figure 4. (a) Survey, (b) Ti 2p, (c) C 1 s, (d) O 1s, (e) Mo 3d and (f) S 2p XPS spectra of 1T'-MoS2/Ti3C2 composites (10 wt.% 1T'-MoS2).


1T'-MoS2/Ti3C2復(fù)合材料的全光譜證實(shí)了Mo、S、Ti、C和O元素的存在。Mo 3d和S 2p的XPS光譜(圖3e和f)表明1T'和2H相共存于1T'-MoS2/Ti3C2復(fù)合材料中,其中1T'相是主要相(~73.45%,根據(jù)Mo 3d和S 2p的1T'相和2H相的峰面積計(jì)算得出)。
 

▲Figure 5. (a) Linear sweep voltammetry (LSV) curves of 10 wt.% 1T'-MoS2/Ti3C2 composite materials recorded in N2-saturated (orange line) and Ar-saturated (black line) 0.1 M Na2SO4. (b) UV-vis absorption spectra of 0.1 M Na2SO4 electrolyte stained with indophenol indicator after electrolysis for 1T'-MoS2/Ti3C2 composites (10 wt.% 1T'-MoS2) at a series of potentials for 2 h. (c) NH3 yield rates and FEs of 1T'-MoS2/Ti3C2 composites (10 wt.% 1T'-MoS2) at a series of potentials. (d) 1H NMR spectra (400 MHz) of both 14NH4+ and 15NH4produced from the NRR reaction (at -0.95 V vs. RHE) using 14N2 or 15Nas the N2 source.


▲Figure 6. (a) NH3 yield rates and FEs of 10 wt.% 1T'-MoS2/Ti3C2 composites at -0.95 V vs. RHE during recycling tests for 6 times; (b) NH3 yield rates and FEs of pure Ti3C2 MXene, pure 1T'-MoS2 and 1T'-MoS2/Ti3Ccomposites with different content of 1T'-MoS2 (5, 7, 10 and 15 wt.%) at -0.95 V vs. RHE; (c) NH3 yield rates and FEs of 2H-MoS2/Ti3Ccomposites (10 wt.% 2H-MoS2), 1T-MoS2/Ti3Ccomposites (10 wt.% 1T-MoS2) and 1T'-MoS2/Ti3Ccomposites (10 wt.% 1T'-MoS2); (d) NH3 yield rates and FEs of 1T'-MoS2/Ti3C2 composites (10 wt.% 1T'-MoS2) with different N2 flow rates. All experiments and tests are carried out under ambient conditions of normal temperature and pressure.


對(duì)于1T'-MoS2/Ti3C2復(fù)合材料,隨著電位越來越負(fù),氨的產(chǎn)率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。在-0.95 V vs. RHE時(shí)的最大氨產(chǎn)率為31.96 μg h-1 mg-1cat.。隨著電位的增加,F(xiàn)E繼續(xù)下降,在-0.7 V vs. RHE時(shí)最高FE為30.75% (圖5c)。此外,還制備了1T'-MoS2負(fù)載量的1T'-MoS2/Ti3C2復(fù)合材料并測(cè)試了它們的NRR特性。結(jié)果表明,純Ti3C2 MXene和純1T'-MoS2的氨產(chǎn)率為13.46和16.70 μg h-1 mg-1cat.,F(xiàn)Es分別為2.51%和1.40%,明顯低于1T'-MoS2/Ti3C2復(fù)合材料(31.96 μg h-1 mg-1cat.和30.75%) (圖6b)。此外,研究了不同相MoS2和Ti3C2 MXene復(fù)合之后的NRR性能。2H-MoS2/Ti
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