在過去的加幾十年中，二維原子晶體由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)，在電催化領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。其中，MoS2在析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)中是一種很有前途的電催化劑，其催化活性主要來源于S中心。摻雜，涉及將雜原子引入宿主晶格而不改變原始結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為調(diào)整MoS2電子結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)其活性的有效方法。
近年來，MoS2被用作電催化NO3?生成NH3的有效催化劑。但是，受到精確控制MoS2晶格中的摻雜水平的策略限制，2D層狀材料中過渡金屬摻雜影響NO3?RR性能的潛在機(jī)制尚不清楚。因此，研究二維層狀材料中過渡金屬摻雜對NO3?RR的摻雜效應(yīng)以及降低反應(yīng)的過電位勢在必行。近日，山西師范大學(xué)許小紅和復(fù)旦大學(xué)劉洋等將Ni摻雜MoS2 (Ni-MoS2)納米片作為模型催化劑，并對其催化NO3?RR行為進(jìn)行了研究。實驗結(jié)果表明，通過改變Ni的摻雜程度能夠改變MoS2的NO3?RR性能。最優(yōu)的5% Ni-MoS2催化劑在?0.3 VRHE下的NH3法拉第效率達(dá)到92.3%，生產(chǎn)速率達(dá)到0.55 mmol h?1 cm?2。此外，該催化劑在?0.3/?0.7 VRHE下進(jìn)行10個循環(huán)試驗后，NH3法拉第效率基本不變，且穩(wěn)定性測試后材料的形貌和結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，顯示出優(yōu)異的反應(yīng)穩(wěn)定性。一系列光譜表征和理論計算表明，在催化劑表面添加Ni摻雜劑可以降低*H物種的形成能壘，為反應(yīng)提供足夠的*H物種，加速了反應(yīng)動力學(xué)；同時，Ni摻雜劑通過強(qiáng)化*N中間體的吸附促進(jìn)了*NO脫氧形成*N，提高了NO3?RR的電催化效率。此外，利用5% Ni-MoS2作為陰極組裝的Zn-NO3?電池能夠提供10.8 mW cm-2的峰值功率密度；當(dāng)電流密度達(dá)到14 mA cm-2時NH3的法拉第效率達(dá)到87.5%，在18 mA cm-2時NH3的產(chǎn)生速率為0.32 mmol h-1 cm-2。總的來說，該項工作不僅揭示了Ni摻雜調(diào)節(jié)NO3?RR活性增強(qiáng)的機(jī)理，而且為高效NO3?RR二維材料催化劑活性中心的設(shè)計和調(diào)控提供了新的思路。Engineering nickel dopants in atomically thin molybdenum disulfide for highly efficient nitrate reduction to ammonia. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202411491
