揚(yáng)長(zhǎng)避短-理性設(shè)計(jì)富羥基Ti3C2Tx MXene量子點(diǎn)用于電化學(xué)固氮
發(fā)布時(shí)間：2020-09-01 作者：harry 分享到：
氨在燃料生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)種植和工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著至關(guān)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(fā)生困難。目前，工業(yè)合成氨嚴(yán)重依賴于Haber-Bosch工藝，但其必須在高溫高壓下進(jìn)行，且每年要消耗**1-3％的能源，同時(shí)會(huì)排放出大量的二氧化碳。近年來(lái)，常溫常壓下的電催化NRR引起了科研工作者的廣泛關(guān)注，催化劑從貴金屬材料亦逐漸轉(zhuǎn)向豐富且廉價(jià)的過(guò)渡金屬氧化物或非金屬材料，但是由于缺乏合理的、有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，制備同時(shí)滿足高產(chǎn)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(zhàn)。
近日，青島大學(xué)許元紅教授、澳大利亞斯威本科技大學(xué)孫成華教授、南京工業(yè)大學(xué)吳宇平教授等課題組合作，通過(guò)密度泛函理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)Ti3C2Tx MXene邊緣的Ti原子具有較高的NRR催化活性，并系統(tǒng)計(jì)算研究了Ti3C2Tx MXene表面官能團(tuán)對(duì)NRR催化性能的關(guān)鍵作用，發(fā)現(xiàn)表面官能團(tuán)可以調(diào)節(jié)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(tuán)能促進(jìn)NRR反應(yīng)的發(fā)生，而-F不利于NRR的進(jìn)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(diǎn)形式以暴露更多邊緣Ti原子，同時(shí)使-OH取代了不利于NRR催化的其它官能團(tuán)，通過(guò)“揚(yáng)長(zhǎng)避短”的方式，制備了富含-OH官能團(tuán)的Ti3C2Tx MXene量子點(diǎn)—Ti3C2OH QDs。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)Ti3C2OH QDs比大尺寸的Ti3C2Tx MXene納米片以及含有其它表面官能團(tuán)的Ti3C2Tx MXene量子點(diǎn)具有更加突出的NRR催化性能，在-0.5 V電勢(shì)下其大產(chǎn)氨速率和法拉第效率分別能達(dá)到62.94 ?g 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(shí)表明，二維材料衍生的量子點(diǎn)在電催化中具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，通過(guò)控制官能團(tuán)、邊緣位點(diǎn)和量子點(diǎn)尺寸為進(jìn)一步優(yōu)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(shè)計(jì)和性能提升提供了新思路。相關(guān)研究成果“Rational Design of Hydroxyl-Rich Ti3C2Tx MXene Quantum Dots for High-Performance Electrochemical N2 Reduction”發(fā)表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.202000797）上。研究生靳兆勇、劉創(chuàng)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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