大連理工大學(xué)劉安敏課題組以封面文章報(bào)道了一種錨定在Ti3C2 MXene載體上的RuFe雙金屬催化劑，用于電催化氮?dú)膺€原制氨表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，其最佳的氨產(chǎn)率為40.79 μg h-1 cm-2，最高的法拉第效率為15.25%。該成果擴(kuò)展了MXene材料在電化學(xué)合成氨中的應(yīng)用。
電化學(xué)氮還原反應(yīng)（NRR）作為一種在環(huán)境條件下將N2還原為NH3的新興技術(shù)，實(shí)現(xiàn)CO2零排放，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、反應(yīng)可控以及綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，為解決工業(yè)Haber-Bosch法合成NH3帶來的能源和環(huán)境問題提供了新思路。然而，N2在電解液中的溶解度低、N≡N三鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定難以活化斷裂，需要較大的陰極過電勢(shì)推動(dòng)NRR過程，但競(jìng)爭(zhēng)析氫反應(yīng)（HER）的過電勢(shì)通常比NRR低、H原子比N2分子更容易吸附在催化劑表面，使HER競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)難以克服，導(dǎo)致現(xiàn)有NRR合成NH3的產(chǎn)率與法拉第效率很低。因此，開發(fā)高活性、高選擇性的NRR電催化劑成為提高電化學(xué)合成氨效率的關(guān)鍵。
近日，大連理工大學(xué)劉安敏課題組發(fā)表ChemCatChem封面文章，報(bào)道了通過簡(jiǎn)單的液相還原法在Ti3C2 MXene載體上制備RuFe雙金屬納米顆粒（RuFe@MXene）并用于NRR的相關(guān)研究。研究小組發(fā)現(xiàn)，得益于MXene的優(yōu)異物理化學(xué)特性以及Ru和Fe之間的協(xié)同效應(yīng)，RuFe@MXene復(fù)合材料可以在環(huán)境條件下高效地合成氨。電催化NRR活性研究表明，在Ru:Fe比例為3:7時(shí)，所得Ru0.3Fe0.7@MXene復(fù)合催化劑在-0.4 V（vs. RHE）下的NH3產(chǎn)率和法拉第效率分別達(dá)到40.79 μg h-1 cm-2和15.25%，其性能顯著高于之前報(bào)道的Ru@MXene催化劑。此外，該催化劑還表現(xiàn)出卓越的電化學(xué)穩(wěn)定性。
通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算了MXene、Fe@MXene、Ru@MXene和RuFe@MXene的態(tài)密度（DOS）和分波態(tài)密度（PDOS），探討RuFe的協(xié)同效應(yīng)對(duì)MXene基催化劑NRR性能的影響。MXene的主要作用是防止雙金屬納米粒子的堆積，既可以維持反應(yīng)空間，緩解活性位點(diǎn)的擁擠，又可以提高金屬利用率。理論上，RuFe@MXene復(fù)合材料將具有優(yōu)異的NRR性能。 該工作證明了雙金屬M(fèi)Xene基催化劑在電催化領(lǐng)域中的巨大應(yīng)用價(jià)值，并將進(jìn)一步推動(dòng)電催化NRR合成NH3的研究。 論文信息 Ru and Fe Alloying on a Two-Dimensional MXene Support for Enhanced Electrochemical Synthesis of Ammonia Dr. Anmin Liu, Xingyou Liang, Mengfan Gao, Dr. Xuefeng Ren, Dr. Liguo Gao, Yanan Yang, Haiding Zhu, Guangxin Li, Prof. Tingli Ma ChemCatChem DOI: 10.1002/cctc.202101775
