氨(NH3)不僅是農(nóng)業(yè)化肥和日常工業(yè)中重要的化學(xué)原料，也是綠色能源領(lǐng)域中理想的氫能載體。Haber-Bosch工藝一直是人工合成氨的主要方法，但該工藝需要在高壓和高溫下運(yùn)行，還會(huì)排放大量CO2。由可再生電能驅(qū)動(dòng)的電催化N2還原反應(yīng)(NRR)是替代Haber-Bosch工藝的有效方法。
經(jīng)過(guò)研究人員的不懈努力，已經(jīng)開發(fā)出了許多高效的NRR催化劑，但目前它們的電催化性能還遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)需求。以Ru為代表的貴金屬催化劑具有良好的催化性能，但其成本高和稀缺性阻礙了NRR的進(jìn)一步的發(fā)展。因此，有必要設(shè)計(jì)并開發(fā)高效的非貴金屬以提高NRR的活性和選擇性。近日，武漢大學(xué)肖湘衡、賀棟和柯尊健等在Bi2WO6晶格中引入了具有未占據(jù)d軌道的Ti原子(Ti-Bi2WO6 NSs)，成功地激活了NRR的催化活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算表明，Ti的引入成功地調(diào)整了表面電位的分布和增強(qiáng)N2吸附，隨后d (Ti)-p (N)軌道的強(qiáng)雜化耦合填充了N2的2π*反鍵分子軌道，極大地削弱了N≡N鍵的鍵合強(qiáng)度，降低了N2的活化能壘。同時(shí)，表面電位極化增強(qiáng)了Bi-Ti雙金屬位點(diǎn)對(duì)HNN*的吸附，并通過(guò)熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)端路徑成功地將N2電還原為NH3。此外，二維材料獨(dú)特的約束效應(yīng)使雜原子摻雜后的結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，在0.1 M HCl溶液中，所制備的Ti-Bi2WO6 NSs催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的NRR催化性能，NH3產(chǎn)率和法拉第效率分別為23.14 μg mg?1 h?1和11.44%；此外，該催化劑在?0.2 V下連續(xù)電解24小時(shí)沒有發(fā)生明顯的活性下降，且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的NRR反應(yīng)后，催化劑的晶體結(jié)構(gòu)和形貌基本保持不變，表現(xiàn)出優(yōu)異的反應(yīng)穩(wěn)定性。總的來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)工作通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算揭示了Ti原子在提高Bi2WO6催化活性方面所起到的重要作用，為通過(guò)二維材料摻雜工程提高NRR催化性能提供了有效的指導(dǎo)。Tuning surface potential polarization to enhance N2 affinity for ammonia electrosynthesis. Advanced Materials, 2024. DOI: 10.1002/adma.202401032
