活性位点利用不足限制了二维过渡金属硼化物（MBene）在电催化氮还原反应（NRR）中的性能提升。
2024年11月15日，齐齐哈尔大学李少斌教授、张丽副教授团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“The Electron‐Rich Interface Regulated MBene by S‐Bridge Guided to Enhance Nitrogen Fixation under Environmental Conditions”的研究论文，团队成员程坤为论文第一作者，李少斌教授、张丽副教授为论文共同通讯作者。
该研究通过活性位点电子优化策略，成功构建了一种高效的氮还原电催化剂，其S原子桥接了MBene表面的Fe和Mo原子，增加了Mo活性位点周围的电荷密度，增强了催化剂对N2分子的活化能力。值得注意的是，FeS2-MBene显示出较低的NRR本征电位（-0.2 V vs. RHE）。与氢原子相比，它更有利于吸附氮原子，从而有效地抑制了析氢反应（HER）。在-0.2 V vs. RHE电位下，氨的产率为37.13±1.31 μg h-1mg-1，FE为55.97±2.63%。密度泛函理论DFT计算表明，MBene表面的Mo是N2的吸附位点。异质结构的形成增强了电子转移，导致钼活性位点成为富电子状态，有利于后续的加氢步骤。该研究为在非还原反应中设计和利用二维MBene催化剂提供了重要启示。
DOI：10.1002/adfm.202417914
该研究采用活性位点电子优化策略，成功构建了一种高效的NRR电催化剂FeS2-MBene，在MBene表面以S原子桥接Fe原子和Mo原子。表征和实验结果表明，MBene的二维层状结构提供了明显较大的比表面积，可以调节和制造更多的异质界面，从而暴露出更多的NRR活性位点，提高催化活性位点对N2的吸附能力。DFT计算表明，Mo是N2的主要吸附位点。在MBene表面引Fe铁原子后，Fe原子充当调节作用，控制电子从S原子流向邻近的Mo原子。这种调节作用使Mo原子转变为电子高度富集的状态，能量富集的增加降低了N≡N解离的难度。界面之间的大量电荷转移加快了活性位点上N2的传质速率。此外，FeS2-MBene表现出极弱的HER活性和极佳的选择性。较低的本征活性电位进一步削弱了竞争性HER，同时节省了更多能量。得益于这些优势，FeS2-MBene实现了出色的催化活性，在-0.2 V vs. RHE电位时，氨产量最高，为37.13±1.31 μg h-1mg-1，FE为55.97±2.63%。在连续40小时的测试中，该催化剂表现出卓越的稳定性，超过了之前报道的大多数钼基、铁基和MBene基材料催化剂。
总之，利用活性位点电子优化策略，构建了一种新型高效电催化剂FeS2-MBene，其S原子桥接MBene表面的Fe原子和Mo原子，协同增强了NRR。与纯FeS2和MBeneS相比，Fe和Mo的协同效应以及富电子活性Mo原子显著提高了FeS2-MBene的NRR催化活性。FeS2-MBene在-0.2 V vs. RHE条件下的氨产率最高，达到37.13±1.31 μg h-1mg-1，FE最高，为55.97±2.63%，且稳定性极佳。XPS和DFT计算表明，Mo位点能更稳定地吸附N2，为后续加氢步骤奠定了基础。此外，Fe的引入优化了Mo的电子结构，使电子富集在Mo周围，进一步提高了Mo位点的N2活化能力。较低的本征活性电位（-0.2 V vs. RHE）使竞争性HER更难发生，从而节省了能量并促进了NRR动力学。该研究为在环境条件下通过界面工程调节活性位点的电子结构和开发高效的MBene基NRR催化剂提供了新见解和方法。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
