北理工團隊在金屬單原子電催化氮氣還原研究中取得進展
發布日期：2023-11-13 供稿：材料學院 陳文星 攝影：材料學院
編輯：牟雪嬌 審核：程興旺 閱讀次數：
北京理工大學材料學院能源催化研究所陳文星課題組近日在銻單原子催化劑設計與應用研究中取得重要進展。2023年11月，相關研究成果以“Symmetry-Breaking p -Block Antimony Single Atoms Trigger N-Bridged Titanium Sites for Electrocatalytic Nitrogen Reduction with High Efficiency”為題在國際知名期刊 《ACS Nano 》上發表。北京理工大學材料學院教師陳文星，前沿交叉研究院李鵬飛老師，中國科學院寧波材料所林杰研究員和清華大學張亮副教授為論文共同通訊作者，北京理工大學為第一單位。
使用可再生電力作為動力的電催化氮還原反應是一種在環境條件下合成NH3的環保方法，但NH3產率和法拉第效率較低阻礙了它的發展。單原子催化劑（SAC）被認為是一種可用于電化學能量轉換反應的多相催化劑。近期研究發現p區金屬SAC（如In、Sn、Sb、Pb和Bi）被認為是氮還原反應的有效催化劑，但其電催化氮還原反應的應用在調控金屬位點的局部結構以及金屬負載方面仍然存在問題，這限制了它們的催化性能。
為了解決這些問題，陳文星研究組采用改進的最小強化分層（MILD）方法設計并制備了一種負載在氮摻雜Ti3C2Tx上的不對稱配位p區銻單原子催化劑（Sb-SA/N-Ti3C2Tx），該催化劑在-0.3V vs.RHE時表現出超高的NH3產率（108.3μg h?1 mgcat?1）和優異的法拉第效率（41.2%）。這是由于Sb-N1C2誘導的相鄰Ti原子促進*N2的第一次氫化以驅動氮還原的能力。此外，Sb-N1C2的引入促進了氧空位的形成，從而暴露出更多的鈦位點。同步輻射相關圖像如圖1所示。
圖1. Sb-SA/N-Ti3C2Tx催化劑的化學態與局部結構表征
在室溫和環境壓力下，以酸性N2飽和K2SO4溶液（pH=""3.5）為電解質，在通過質子交換膜分離的標準三電極H電池系統中評估所獲得的p區M"" SA/N-Ti3C2Tx（M="""Sb、In、Sn、Pb、Bi）的eNRR催化性能。通過N2飽和K2SO4溶液中的LSV圖初步測量了M SA/N-Ti3C2Tx的極化曲線，發現Sb SA/N-Ti3C2Tx表現出明顯高于In、Sn、Pb或Bi的電流密度，表明其對eNRR具有優異的性能。
圖2. M SA/N-Ti3C2Tx（M="""Sb，In，Sn，Pb，Bi）的eNRR性能
Sb SA/N-Ti3C2O2的N橋Ti原子是促進N2吸附的最佳原子，而Sb SA/N-Ti3C2O2中簡單分離的Sb位點表現出緩慢的N2吸附能。此外，理論計算和互補原位光譜也表明，由相鄰的不對稱Sb-N1C2觸發的兩個氮化鈦原子是促進從*N2到*N2H的速率決定步驟的質子化和eNRR過程中關鍵中間體的動力學轉化的活性位點。該研究所提出的構建非對稱p區原子結構的策略為研究氮循環反應以及其他能量轉換應用提供了一種可行的方案。
圖3. Sb-SA/N-Ti3C2Tx電催化NRR的原位譜學表征
圖4. Sb-SA/N-Ti3C2Tx電催化NRR的理論研究
全文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c07857
該研究課題得到了國家自然科學基金（21801015），北京市自然科學基金（2212018），以及北京理工大學科技創新計劃創新人才科技資助專項（2022CX01011）的支持。
附作者介紹：
陳文星，北京理工大學副研究員，2011年本科畢業于北京航空航天大學化學學院，2015年博士畢業于中國科學技術大學國家同步輻射實驗室，2016年在清華大學化學系進行博士后研究，2018年受聘于北京理工大學材料學院。主要在金屬納米、團簇、單原子催化劑的原子級可控合成、局域結構表征與催化性能分析方面從事研究工作，并致力于應用X-射線譜學方法從原子分子尺度上對物質的局域結構進行解析，運用基于同步輻射大科學裝置平臺的原位測試技術對相關反應機理進行探索。相關成果已發表文章240余篇，SCI總引用28000余次，50余篇入選ESI前1%高被引論文，H指數87。連續四年（2020-2023）入選科睿唯安全球高被引科學家榜單。其中以通訊作者/第一作者（含共同）身份，分別在Nat. Catal. (1)，Science Advances (1)，Nat. Commun. (5)，J. Am. Chem. Soc. (6)，Angew. Chem. Int. Ed. (5)，Advanced Material (7)，Energy Environ. Sci. (3)等期刊上發表論文80余篇。擔任Nano Research、Nano Research Energy、SmartMat和Rare Metals等期刊編委/青年編委。
分享到：