研究背景
文章简介
Figure 1. DFT 揭示材料表面缺陷对 NO 吸附性能的影响
基于 DFT 计算的指导，他们利用碱刻蚀的方法制备了含有 Al 原子空位的 CoAl-LDH 纳米片。ICP 测试中 Co 和 Al 原子含量的变化证明了部分 Al 位点的成功去除及金属阳离子缺陷位点的产生。FTIR 中金属-氧峰随刻蚀时间增长而增强也初步证明在蚀刻过程中由更多的阳离子空位引起的氧空位出现。
Figure 2. CoAl-LDH 纳米片的合成及表征
此外，利用先进的同步辐射 X 射线吸收近边结构 (XANES) 和扩展 X 射线吸收精细结构 (EXAFS) 技术探究了碱刻蚀过程中 Co 在原子水平上的化学状态和配位环境的变化。类似于 XPS 结果，碱刻蚀使得 CoAl-LDH 的 Co 的原子价态发生显著变化。同时，通过扩展边拟合能够定量得到随刻蚀时间氧空位浓度的变化。碱刻蚀后层中氧空位的存在可以为电催化 NO 还原反应 (NORR) 提供更多的配位不饱和活性位点，而这些结构变化将降低 LDH 纳米片的表面能，进而提高 NORR 活性和 NH3 合成产率。
Figure 3. XAFS 技术揭示 CoAl-LDH 纳米片的化学态和原子近邻结构
电催化性能测试表明适当的 NaOH 碱蚀时间可以显著提高 CoAl-LDH 纳米片的电催化 NO 还原合成 NH3 活性。在 -1.1 V vs. RHE，与未碱刻蚀 (0.097 mg cm-2 h-1) 的 CoAl-LDH 相比，CoAl (NaOH 4 h) 的 NH3 产率达到 0.310 mg cm-2 h-1，提高了 2.2 倍。此外，催化剂表征结果和理论计算表明，富含阳离子空位的 LDH 所形成的 FLPs 中不饱和 Al 位点和邻近 -OH 协同作用，可以有效促进 NO 的吸附和活化，为 LDH 电催化剂构造 FLPs 用于电催化 NORR 合成 NH3 开辟了新途径。
Figure 4. CoAl-LDH 纳米片的电催化 NORR 性能
该成果以 “Frustrated Lewis pairs on metal-cation vacancy catalysts enhanced the electroreduction of NO to NH3” (《构筑金属阳离子空位受阻 Lewis 酸碱对催化剂用以增强 NO 电催化合成 NH3》)为题，发表在知名国际期刊 Journal of Materials Chemistry A 上，并入选为 Hot Paper。第一作者为 北京科技大学易红宏教授，通讯作者为 北京科技大学赵顺征副教授 和 中国科学院高能物理研究所刘云鹏助理研究员。
论文信息
Frustrated Lewis pairs on metal-cation vacancy catalysts enhanced the electroreduction of NO to NH3
Honghong Yi, Ruzhu Jia, Xiaolong Tang, Dongjuan Kang, Qingjun Yu, Fengyu Gao, Shunzheng Zhao* and Yunpeng Liu*
J. Mater. Chem. A, 2024, 12, 24144-24155
https://doi.org/10.1039/D4TA04550E
作者简介
本文第一作者，北京科技大学能源与环境工程学院教授。主要从事环境功能材料、大气污染控制研究。国家重点研发计划首席科学家，教育部新世纪优秀人才，先后主持国家级、省部级等科研项目20余项，获多项省部级科研奖励，发表高水平文章 300 余篇，连续多年入选全球“年度科学影响力排行榜”前 2% 顶尖科学家榜单。
本文通讯作者，北京科技大学能源与环境工程学院副教授。主要开展环境功能材料的研发和气态污染物净化机理及强化机制研究。以第一作者/通讯作者在 Nano Energy、ACS Catalysis 发表 SCI 论文 50 余篇。先后主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金面上项目、国家重点研发计划子课题等多项课题。多次入选全球“年度科学影响力排行榜”前 2% 顶尖科学家榜单。
期刊介绍
rsc.li/materials-a
J. Mater. Chem. A
| 2-年影响因子* | 10.7分 |
| 5-年影响因子* | 10.8分 |
| JCR 分区* | Q1能源与燃料 Q1化学-物化 Q1材料-多学科 |
| CiteScore 分† | 19.5分 |
| 中位一审周期‡ | 30 天 |
Journal of Materials Chemistry A、B 和 C 报道材料化学各领域的高质量理论或实验研究工作。这三本期刊发表的论文侧重于报道对材料及其性质的新理解、材料的新应用以及材料合成的新方法。Journal of Materials Chemistry A、B 和 C 的区别在于所报道材料的不同预期用途。粗略的划分是，Journal of Materials Chemistry A 报道材料在能源和可持续性方面的应用，Journal of Materials Chemistry B 报道材料在生物学和医学方面的应用，Journal of Materials Chemistry C 报道材料在光学、磁学和电子设备方面的应用。
Anders Hagfeldt
🇸🇪 乌普萨拉大学
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Associate editors
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