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(fā)布日期：2023-11-13 供稿：材料學院 陳文星 攝影：材料學院
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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(fā)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(huán)境條件下合成NH3的環(huán)保方法,，但NH3產(chǎn)率和法拉第效率較低阻礙了它的發(fā)展,。單原子催化劑（SAC）被認為是一種可用于電化學能量轉(zhuǎn)換反應的多相催化劑。近期研究發(fā)現(xiàn)p區(qū)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(diào)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(qū)銻單原子催化劑（Sb-SA/N-Ti3C2Tx）,，該催化劑在-0.3V vs.RHE時表現(xiàn)出超高的NH3產(chǎn)率（108.3μg h?1 mgcat?1）和優(yōu)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(qū)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(tài)與局部結構表征
在室溫和環(huán)境壓力下，以酸性N2飽和K2SO4溶液（pH=""3.5）為電解質(zhì),，在通過質(zhì)子交換膜分離的標準三電極H電池系統(tǒng)中評估所獲得的p區(qū)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(fā)現(xiàn)Sb SA/N-Ti3C2Tx表現(xiàn)出明顯高于In,、Sn、Pb或Bi的電流密度,，表明其對eNRR具有優(yōu)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(xiàn)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(fā)的兩個氮化鈦原子是促進從*N2到*N2H的速率決定步驟的質(zhì)子化和eNRR過程中關鍵中間體的動力學轉(zhuǎn)化的活性位點,。該研究所提出的構建非對稱p區(qū)原子結構的策略為研究氮循環(huán)反應以及其他能量轉(zhuǎn)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(chuàng)新計劃創(chuàng)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(yè)于北京航空航天大學化學學院,，2015年博士畢業(yè)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(zhì)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(fā)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(shù)87。連續(xù)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(fā)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,。
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