青岛科技大学在电催化固氮领域取得系列新进展

张明 2024-01-15

近日，青岛科技大学化工学院张永超副教授、朱晓东教授团队在电催化固氮领域取得新进展，相关成果以“Enhanced N2Adsorption and Activation by Combining Re Clusters and In Vacancies as Dual-Sites for Efficient and Selective Electrochemical NH3Synthesis”为题发表在国际知名期刊《Nano Letters》（影响因子10.8，中科院1区）论文第一作者为2021级博士生李少权，通讯作者为张永超副教授与朱晓东教授。青岛科技大学为第一作者及唯一通讯作者单位。

NH₃作为一种重要的化工原料，被广泛用于生产尿素、碳酸钠、铵肥等。在工业上产氨主要依靠传统的Haber-Bosch过程，这个过程需要大量的不可再生能源。电催化NRR凭借环保、可持续发展以及可再生等优点在人工固氮产氨中发挥着重要的作用。然而，实现较高的氨产率和合理的法拉第效率也是电催化NRR面临的巨大挑战。为了解决这一问题，通过结合Re团簇和V_In作为自发N₂吸附和活化的双位点，构建Re-In₂Se₃-V_In/CC催化剂从而同时显著提高电催化NRR的活性与选择性。研究发现，V_In的存在可以通过强电荷转移效应同时提供活性位点和限制Re簇。此外，在V_In的约束作用下Re簇稳定分散在In₂Se₃上，从而使Re-V_In位点的可用性最大化。DFT计算表明，Re团簇在铟缺陷In₂Se₃(110)上的存在，可以调节NRR途径由In₂Se₃(110)上的交替途径转变为远端交替混合途径，有利于*N₂的吸附和活化，及*NH₃的解吸能垒，有效地加速了电催化NRR的反应动力学。

如何开发一类兼具活性与选择性的NRR催化剂是电催化固氮反应需要克服的瓶颈。P区金属被认为是一类具有优异选择性的NRR催化剂，除具有部分占据轨道外，还可以通过p电子的反馈激活，有效削弱甚至破坏强的N≡N叁键。近期，我们在国际知名期刊《Small》（影响因子13.3，中科院1区）上发表题为“P-Block Metal-based Electrocatalysts for Nitrogen Reduction to Ammonia: A Minireview”的综述文章。详细分析了硼族、碳族和氮族等P区金属基催化剂NRR的机理，并分别对P区金属催化剂NRR的活性、选择性以及稳定性进行了阐述。最后对P区金属基催化剂用于电化学固氮反应进行了总结和展望。