筛选电催化硝酸根还原制氨的MXene基单原子催化剂（英文）

作者：王梦婷; 胡涛; 汪昌红; 杜沣; 杨鸿斌; 孙伟; 郭春显; 李长明

来源：Science China-Materials, 2023, 66(07): 2750-2758.

• single-atom catalysts
• MXene
• nitrate reduction to ammonia
• electrocatalysis
• first-principles calculations

电催化硝酸根还原制氨是调节全球氮循环和合成氨的一种很有前景的方法.当前实现高效硝酸根还原制氨（NRA）的关键问题是开发具有高活性、选择性和稳定性的催化剂.本文通过把过渡金属（TM:3d=Sc-Zn,4d=Y-Cd,5d=La-Hg）锚定在二维材料Ti3C2O2 MXene（Ti3C2O2-TM）上,筛选出新的NRA单原子催化剂.本工作采用密度泛函理论进行理论计算,发现Ti3C2O2上的表面O官能团对TM具有较高的锚定能力,同时材料拥有良好的抗溶解稳定性.此外,锚定的TM与硝酸根之间强的p-d耦合作用使NO3-易于活化.锚定TM在费米能级处有较高的不饱和d轨道,具有良好的稳定性和NO3-活化能力.基于此,本文筛选出10种前线分子轨道在d5附近的Ti3C2O2-TMs （TM=Cr,Mn,Fe,Tc,Ru,W,Re,Os,Ir,Pt）,并且最有利的反应路径是持续的脱氧加氢:NO3-→*NO3→*NO2→)*NO→*N→*NH→*NH2→*NH3→NH3（g）.本工作认为Ti3C2O2-CrSA、Ti3C2O2-ReSA和Ti3C2O2-OsSA这3种具有低NRA过电位的Ti3C2O2-TM是优异的NRA催化剂.这些发现为设计低能耗、低碳排放的先进氨合成路线提供了新策略.

• 单位
  青岛大学; 海南师范大学