齐齐哈尔大学AFM:S 桥引导的富电子界面调控 MBene 在环境条件下增强固氮作用!

文摘   2024-11-19 13:36   河南  

第一作者:Kun Cheng
通讯作者:张丽,李少斌
通讯单位:齐齐哈尔大学





研究背景



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,即FeS2-MBene。通过在MBene表面桥接S原子与Fe和Mo原子,增加了Mo活性位点周围的电荷密度,提高了催化剂对N2分子的活化能力。FeS2-MBene显示出较低的NRR本征电位,有利于吸附氮原子,并有效抑制氢进化反应。实验结果显示,在相对于参比电极的-0.2 V电位下,氨的产率为37.13±1.31µg h-1 mg-1,FE为55.97±2.63%。理论计算表明,Mo是N2的吸附位点,形成异质结构能增强电子传递,使钼活性位点成为富电子状态,有利于后续的氢化步骤。这项研究对于设计和利用二维MBene催化剂在非还原反应中具有重要启示作用。




图文解析



图 3. a) FeS2-MBene 在 Ar 和 N2 饱和 0.1 m Na2SO4 条件下的 LSV 曲线;b) NH3 产率;c) FeS2-MBene、MBeneS 和 FeS2 的 FE;d) 不同条件下的 NH3 产率;e) Ar 和 N2 条件下的交替循环测试;f) FeS2-MBene、MBeneS 和 FeS2 不同电化学特性的比较。

图 4. a) 在不同电位下进行 2 小时 NRR 电解后,用 Watt-Chrisp 法测得的 N2H4 紫外可见吸收光谱。d) FeS2-MBene 催化 N2 转化为 NH3 的远端偶联途径示意图。e) 比较 FeS2-MBene 和其他已报道的 NRR 电催化剂的 NH3 产率和 FE。

图 5. a) FeS2-MBene 异质结构的电荷密度差。不同位点吸附 N2 的侧视图和俯视图模型:b) Fe 位点,c) S 位点,d) Mo 位点。

通过活性位点电子优化策略,研究者们成功构建了一种新型高效电催化剂FeS2-MBene。这种催化剂通过S原子桥接了MBene表面的Fe和Mo原子,利用Fe和Mo的协同效应以及富电子活性的Mo原子来提高氮还原反应(NRR)的催化活性。实验结果显示,相较于纯FeS2和MBeneS,FeS2-MBene在-0.2 V的电位下表现出最高氨产量为37.13 ± 1.31 μg h-1 mg-1,最高FE为55.97 ± 2.63%且具有良好的稳定性。XPS和DFT计算结果证明了Mo位点能够更稳定地吸附N2,为后续的氢化步骤提供基础。Fe的引入优化了Mo的电子结构,进一步提高了Mo位点的N2活化能力。此外,较低的内在活性电位使竞争性HER更难发生,节约了能量并推动了NRR动力学。这项研究为通过界面工程调节活性位点的电子结构以及开发基于MBene的高效NRR催化剂提供了新的见解和方法。

参考文献:

K. ChengS. LiQ. ChengL. ZhangY. JiangF. LiH. MaD. ZhangThe Electron-Rich Interface Regulated MBene by S-Bridge Guided to Enhance Nitrogen Fixation under Environmental ConditionsAdv. Funct. Mater. 2024, 2417914.

DOI: 10.1002/adfm.202417914


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