在Ti3C2Tx MXene上原位生长2D TiO2纳米片的异质结构用于改善电催化氮气还原(英文)

作者：钱秀; 魏艳娇; 孙梦洁; 韩野^*; 张晓俐; 田健^*; 邵敏华^*

来源：Chinese Journal of Catalysis, 2022, 43(07): 1937-1944.

• 电催化剂
• 氮还原反应
• TiO2纳米片
• Ti3C2TX MXene
• 原位生长

氨作为一种必不可少的活性氮源,在聚合物、纺织工业、工业制造和农业种植中发挥了至关重要的作用.目前,大规模的氨合成主要依靠传统Haber-Bosch法,但该工艺能耗高且造对环境有危害,如排放大量的二氧化碳.电催化氮还原合成氨被认为是传统Haber-Bosch法的潜在替代技术,该技术可以在环境条件下进行且使用可再生的氮气和水为原料.贵金属表现出优异的电催化氮还原活性,但高成本和低丰度限制了它们的广泛应用.最近,氮还原电催化剂的研究已转向廉价且丰富的过渡金属基材料.MXene是一种新兴的过渡金属碳/氮/碳氮化合物衍生的二维层状材料,其化学式可记为Mn+1XnTx(n=1,2或3),其中“M”代表过渡金属(如V,Ta,Mo,Ti,Nb),“X”代表N或C或CN,“Tx”代表表面官能团(如-O,-F和-OH).其中,Ti3C2Tx MXene由于独特的层状结构、较好的导电性和稳定性,而被理论计算和实验结果证明是一种很有前景的氮还原催化剂.然而,Ti3C2TxMXene电催化合成氨的产率及选择性仍需进一步提高.MXene的层状结构容易堆叠,降低了比表面积,影响了层间离子的扩散,导致电化学性能下降.减少层堆叠的一种有效方法是与其他材料复合.Ti3C2TxMXene表面的边缘钛原子可以作为成核位点生成相对稳定的二氧化钛,从而很容易生成TiO2/Ti3C2Tx MXene异质结结构.本文提出了在Ti3C2Tx MXene上原位生长TiO2纳米片,形成具有丰富活性位点的TiO2/Ti3C2Tx MXene复合材料,以有效地实现电催化氨合成.复合材料中,高导电性的Ti3C2TxMXene可以促进电子转移,同时,原位生成的TiO2纳米片不仅可以避免Ti3C2Tx MXene的堆积,还可以提高Ti3C2Tx MXene的表面积.在电催化氮还原实验中,TiO2/Ti3C2Tx MXene催化剂的产氨率为44.17μg h-1 mg-1cat.(-0.95 V vs.RHE),法拉第效率为44.6 8%(-0.75 V vs.RHE),并表现出很强的电化学稳定性.15N同位素标记实验结果表明,生成物氨中的氮来自于氮气的电解还原.理论计算表明,Ti3C2Tx MXene上负载的TiO2纳米片由于其更强的吸附性和更低的反应能垒而有效地增强了氮还原性能.综上,本文为开发高活性的新型氮还原电催化剂开辟了一条新途径.

• 单位
  山东科技大学; 郑州大学