氨（NH3）作為一種基礎(chǔ)化學(xué)品，在農(nóng)業(yè)和工業(yè)中起著舉足輕重的作用。與目前工業(yè)上采用的Haber-Bosch法相比，電催化合成氨具有可持續(xù)性，也更加環(huán)保。硝酸鹽是水中常見的污染物，與氮?dú)庀啾染哂懈玫乃苄院透偷慕怆x能，因此將其作為電催化制氨的氮源，具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的雙重意義。 蘇州大學(xué)路建美教授課題組報(bào)道了一種Ti3C2Tx-MXene材料表面原位生長的Bi2O3納米片，用于電催化還原硝酸根選擇性產(chǎn)氨，其產(chǎn)氨的法拉第效率可達(dá)到91.1%，產(chǎn)氨速率為7.0 mg·h?1·cm?2。 由Ti3AlC2進(jìn)行刻蝕、剝離而得到的MXene表面存在豐富的官能團(tuán)，因此Bi3+可通過靜電吸引作用均勻吸附在MXene表面上，在水熱的條件下原位生長Bi2O3納米片。通過調(diào)節(jié)Bi3+加入的量，可以得到一系列不同負(fù)載量的Bi2O3/MXene材料。這些材料應(yīng)用于電催化還原硝酸根產(chǎn)氨，其中11% Bi2O3/MXene的產(chǎn)氨性能最佳，且是迄今為止報(bào)道的Ti3C2Tx-MXene基催化劑中產(chǎn)氨性能最優(yōu)的。在循環(huán)測試中，氨的法拉第效率和生成速率基本保持不變，表明該催化劑具有良好的穩(wěn)定性。 TEM、EIS和ECSA測試表明，二維Ti3C2Tx的引入有利于Bi2O3的均勻分散，從而暴露活性位點(diǎn)并且促進(jìn)了催化劑上的電荷轉(zhuǎn)移。DFT計(jì)算表明，硝酸根還原經(jīng)歷ONH路徑，速率決定步驟為ONH→ONH2，能壘為0.42 eV，而析氫副反應(yīng)的能壘高達(dá)2.17 eV。因此，Bi2O3/MXene復(fù)合材料的高電荷傳輸效率、活性位點(diǎn)的充分暴露以及對(duì)析氫的抑制是其具有優(yōu)異電催化產(chǎn)氨性能的主要原因。該工作為鉍基催化劑的設(shè)計(jì)及其在電催化領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了新的指導(dǎo)方案。
圖1 （a）MAX和（b）MXene的TEM圖像；11% Bi2O3/MXene的（c）HRTEM圖像，（d）TEM圖像和（e）HAADF-STEM圖像以及相應(yīng)的元素分布圖 圖2 （a）MAX和MXene的XRD譜圖；MXene、Bi2O3和不同摩爾比Bi2O3/MXene的（b）XRD譜圖，（c）FTIR光譜；（d）11% Bi2O3/MXene和MXene的XPS譜；11% Bi2O3/MXene的（e）Bi 4f和（f）O 1s的XPS光譜 圖3 （a）11% Bi2O3/MXene在有無1000 mg/L KNO3條件下的LSV曲線；（b）MXene、Bi2O3及不同摩爾比的Bi2O3/MXene在有KNO3存在時(shí)的LSV曲線；（c）在-1.8V vs.SCE條件下，不同電極合成氨的速率和法拉第效率；（d）不同電位下，11% Bi2O3/MXene合成氨的速率和法拉第效率；（e）在-1.8V vs.SCE條件下，使用11% Bi2O3/MXene電極，NO3--N, NO2--N和NH4+-N的濃度隨時(shí)間變化曲線；（f）11% Bi2O3/MXene電極的循環(huán)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn) 圖4 MXene、Bi2O3及不同摩爾比的Bi2O3/MXene的（a）Nyquist圖和（b）電流密度與掃描速率的關(guān)系圖；（c）Bi2O3（-112）晶面上NO3-還原為NH3的Gibbs自由能變化圖及中間體結(jié)構(gòu)模型 論文信息 In-Situ Hydrothermal Growth of Highly Dispersed Bi2O3 Nanosheets on Ti3C2Tx MXene for Selectively Electrocatalytic Reduction of Nitrate to Ammonia Hao-Yu Zhang, Lan-Xin Li, Dr. Wu-Ji Sun, Prof. Jing-Hui He, Prof. Qing-Feng Xu, Prof. Jian-Mei Lu 文章第一作者為張浩宇 ChemElectroChem DOI: 10.1002/celc.202201001
