空穴來風,風馳電掣:空位工程調控的固氮電催化劑

2020-12-05 騰訊網

自1910年科學家弗裡茨·哈伯利用氮氣與氫氣在高溫高壓下催化生成氨氣以來, 哈伯法合成氨在全球範圍內被廣泛應用。但是, 哈伯法高溫高壓的苛刻條件導致其能耗巨大且汙染嚴重,因此尋求低耗清潔合成氨方法迫在眉睫。

近些年來, 利用電化學手段在常溫常壓下將氮氣電催化還原為氨氣的固氮方式, 憑藉其能耗低、綠色環保等優點受到研究人員的關注。設計和開發高效的催化劑為氮氣的吸附和活化提供活性位點對電化學固氮意義重大, 但是目前電化學固氮性能的改善不盡人意。

近日,蘇州大學黃小青課題組在Science Bulletin發表了一篇關於電化學固氮的文章: 「Core@shell structured Au@SnO2nanoparticles with improved N2adsorption/activation and electrical conductivity for efficient N2fixation」。他們開發了一種提升電化學固氮手段, 通過調控Au@SnO2核/殼納米顆粒表面的氧空位實現了將氮氣電催化高效還原為氨氣。

他們通過化學液相合成的方法分別製備了表面具有不同氧空位的Au@SnO2核/殼納米顆粒, 並對其形貌、結構及表面化學環境進行了一系列的表徵(圖1, 2)。結果顯示, 相較於晶化SnO2殼層包裹的Au納米顆粒(Au@C-SnO2NPs), 薄層無定形SnO2殼層包裹的Au納米顆粒(Au@A-SnO2NPs)表面具有更多的氧空位。

圖1 Au@SnO2核/殼納米顆粒的形貌及結構表徵

圖2 Au@SnO2核/殼納米顆粒的表面化學環境表徵

電催化氮還原反應測試發現, Au@A-SnO2NPs催化劑展現出更好的電化學固氮性能, 其氨氣產率和法拉第效率在-0.2 VRHE下分別可達21.9 μg h-1mg-1cat和15.2%, 優於Au@C-SnO2NPs以及目前已報導的金基電化學固氮催化劑(圖3)。

圖3 Au@SnO2核/殼納米顆粒的電化學固氮性能

氮氣吸脫附實驗和理論計算表明, Au@A-SnO2NPs催化劑中Au核優異的導電性加速了電催化過程中電子的傳遞, 同時SnO2殼中的氧空位增強了氮氣吸附與活化, 在兩者的協同作用下最終提升了電化學固氮性能(圖4, 5)。

圖4 Au@SnO2核/殼納米顆粒的氮氣吸脫附分析

圖5 電化學固氮的理論模擬計算及過程示意圖

該研究工作所提出的表面空缺調控策略, 為開發設計性能更好的電化學固氮催化劑或其它電化學反應催化劑提供了思路。

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