揚長避短-理性設計富羥基Ti3C2Tx MXene量子點用于電化學固氮
發布時間：2020-09-01 作者：harry 分享到：
氨在燃料生產、農業種植和工業生產中發揮著至關重要的作用。地球大氣中含有豐富N2可作為合成氨的原料，但由于N≡N鍵高的鍵能（940.95 kJ mol-1），使NRR發生困難。目前，工業合成氨嚴重依賴于Haber-Bosch工藝，但其必須在高溫高壓下進行，且每年要消耗**1-3％的能源，同時會排放出大量的二氧化碳。近年來，常溫常壓下的電催化NRR引起了科研工作者的廣泛關注，催化劑從貴金屬材料亦逐漸轉向豐富且廉價的過渡金屬氧化物或非金屬材料，但是由于缺乏合理的、有針對性的設計，制備同時滿足高產氨速率、高選擇性和低成本的NRR電催化劑仍然面臨著巨大挑戰。
近日，青島大學許元紅教授、澳大利亞斯威本科技大學孫成華教授、南京工業大學吳宇平教授等課題組合作，通過密度泛函理論計算發現Ti3C2Tx MXene邊緣的Ti原子具有較高的NRR催化活性，并系統計算研究了Ti3C2Tx MXene表面官能團對NRR催化性能的關鍵作用，發現表面官能團可以調節Ti的d軌道電子從而改善邊緣暴露Ti的NRR催化性能，其中-OH基團能促進NRR反應的發生，而-F不利于NRR的進行。因此采用堿性插層、取代法將大尺寸MXene納米片剪切成比表面積更大的量子點形式以暴露更多邊緣Ti原子，同時使-OH取代了不利于NRR催化的其它官能團，通過“揚長避短”的方式，制備了富含-OH官能團的Ti3C2Tx MXene量子點—Ti3C2OH QDs。
經研究發現Ti3C2OH QDs比大尺寸的Ti3C2Tx MXene納米片以及含有其它表面官能團的Ti3C2Tx MXene量子點具有更加突出的NRR催化性能，在-0.5 V電勢下其大產氨速率和法拉第效率分別能達到62.94 μg h-1 mg-1cat. 和13.30%。本研究不僅提供了一種**的固氮電催化劑，同時表明，二維材料衍生的量子點在電催化中具有巨大的應用價值，通過控制官能團、邊緣位點和量子點尺寸為進一步優化電催化劑提供了廣闊的空間，而且為其他納米催化劑的合理設計和性能提升提供了新思路。相關研究成果“Rational Design of Hydroxyl-Rich Ti3C2Tx MXene Quantum Dots for High-Performance Electrochemical N2 Reduction”發表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.202000797）上。研究生靳兆勇、劉創偉、劉再春為文章的共同**作者，吳宇平教授、孫成華教授和許元紅教授為共同通訊作者。
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