北京石油化工學院閆寶林課題組首次報道了一種具有新穎框架結(jié)構(gòu)的TiO2/CeO2異質(zhì)結(jié)催化劑，其表面含有豐富的氧空位，并且在不同維度的組分間形成了大量的異質(zhì)界面，這不僅為N2的吸附和活化提供了有效的位點，而且有利于界面間電荷的轉(zhuǎn)移和傳遞。因此，該催化劑在常溫常壓下的電化學N2還原反應中展現(xiàn)出了優(yōu)異的催化活性和循環(huán)穩(wěn)定性。該成果為設(shè)計合成具有框架結(jié)構(gòu)以及多尺度界面的催化材料提供了一定的實驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)。
NH3是一種重要的化學品，是氮肥工業(yè)的關(guān)鍵原料。目前工業(yè)上主要通過Haber-Bosch法合成NH3，但是其面臨反應條件苛刻、能耗高、碳排放量大等瓶頸問題。電化學N2還原反應（NRR）被認為是在環(huán)境條件下合成NH3的有效、清潔的新型策略。然而，有效的電化學NRR在實踐中極具挑戰(zhàn)性，這主要歸因于催化劑對惰性N2的吸附和活化作用不足，催化劑在工況條件下的長期耐用性差等。因此，發(fā)展高效、穩(wěn)定的NRR電催化劑成為合成NH3工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要前提。
有鑒于此，北京石油化工學院閆寶林課題組報道了一種通過稀土Ce3+離子輔助Ti基MOFs MIL-125-NH2原位轉(zhuǎn)化，結(jié)合后續(xù)空氣氣氛熱處理制備具有豐富氧空位和異質(zhì)界面的TiO2/CeO2框架結(jié)構(gòu)電催化劑的新策略。該策略良好地解決了MOFs直接熱解過程中框架結(jié)構(gòu)的坍塌和孔道結(jié)構(gòu)掩埋消失等問題，為電解液的有效浸潤以及暴露更多的催化活性位點提供了前提；并且，所制備的TiO2/CeO2框架結(jié)構(gòu)是由相互貫穿的超薄TiO2納米片負載CeO2納米粒子組成，兩種組分間所形成的豐富的異質(zhì)界面有利于電荷的傳遞和轉(zhuǎn)移。電化學NRR研究表明，TiO2/CeO2框架結(jié)構(gòu)電催化劑在-0.25 V （vs. RHE）下的NH3產(chǎn)率和法拉第效率分別達到了8.8 μg h-1 mg-1cat.和6.8%，其性能能夠與之前報道的Ti基、含氧空位NRR電催化劑相媲美。此外，該催化劑在連續(xù)20次的循環(huán)測試中展現(xiàn)出了卓越的電化學穩(wěn)定性。該工作提出了一種合成MOFs衍生框架結(jié)構(gòu)催化劑的新策略，為進一步根據(jù)目標反應設(shè)計合成高效催化材料奠定了廣泛的研究基礎(chǔ)。
論文信息 TiO2/CeO2 Frame with Enriched Oxygen Vacancies and Hetero-Interfaces for Efficient Electrochemical N2 Reduction Dr. Baolin Yan, Shen Hu, Chunyan Bu, Yi'an Peng, Huaize Han, Xinghang Xu, Yihan Liu, Dr. Jianxiang Yu, Prof. Yuhua Dai ChemCatChem DOI: 10.1002/cctc.202300076
