兰州交大ACS Nano:效率突破 60%,电化学合成氨新进展!

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第一作者:沈鹏

通讯作者:褚克

单位:兰州交通大学


(NH3)在国民经济中发挥着十分重要的作用。用于工业合成氨的Haber-bosch工艺需要高温高压的反应条件,导致大量的能源消耗和碳排放。在当前 “双碳”政策下,具有零碳排放特性的电催化氮还原(NRR)合成氨技术极具发展前景,而其中NRR催化剂在N2的吸附和加氢反应中起关键作用。然而迄今为止,大多数报道的NRR催化剂的NH3产率(<100 μg h−1 mg−1)和法拉第效率(<20%)远不能满足实际使用要求。

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【工作介绍】

近日,来自兰州交大的褚克教授课题组在《ACS Nano》上发表了题为“High-Efficiency N2 Electroreduction Enabled by Se-Vacancy-Rich WSe2-x in Water-in-Salt Electrolytes”的研究文章。该工作通过电解液设计——利用盐包水(WISE)电解液可有效抑制析氢反应的特性,同时结合富Se空位WSe2-x催化剂可有效吸附和活化N2的特点——构建出了超高效NRR催化体系。该NRR催化体系实现了创纪录的法拉第效率(62.5%)以及较高的NH3产率(181.3 μg h−1 mg−1)。进一步利用分子动力学模拟、DFT计算和电化学原位光谱分析,深度揭示了WISE促进NRR的内在机理。


【图文解析】

要点一:DFT计算表明富Se空位WSe2-x催化剂可有效吸附和活化N2,但其同时可加速水分解利于析氢反应,不利于NRR选择性。


要点二:分子动力学模拟表明盐包水(WISE)电解液可有效抑制WSe2-x表面的析氢反应,且对于常用的LiClO4电解液,理论最优浓度为12 m (mol kg-1)。


要点三:电化学测试表明,富Se空位WSe2-x催化剂在12 m LiClO4中表现出62.5%, 181.3 μg h−1 mg−1的超高NRR性能,远优于报道值。


要点四:电化学原位光谱分析表明,WISE可有效提高催化剂表面的N2亲和力,并增强活性位点的π电子反馈能力,促进NRR活性的大幅提高。

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图1. WSe2-x催化剂NRR/HER性能的理论预测

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图2. WSe2-x催化剂在盐包水(WISE)电解液中NRR/HER行为的分子动力学模拟

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图3. WSe2 和WSe2-x的形貌表征

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图4. WSe2 和WSe2-x的结构表征

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图5. WSe2 和WSe2-x在WISE中的NRR性能测试

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图6. 电化学原位光谱分析WSe2 和WSe2-x在WISE中的NRR行为


Peng Shen, Xingchuan Li, Yaojing Luo, Yali Guo, Xiaolin Zhao, Ke Chu*. High-Efficiency N2 Electroreduction Enabled by WSe2-x in Water-in-Salt Electrolytes, ACS Nano, 2022. https://doi.org/10.1021/acsnano.2c00596


第一作者介绍:

沈鹏,兰州交通大学材料学院在读研究生,主要从事电催化反应的DFT计算和分子动力学模拟研究,以第一/共一作者身份在ACS Nano,Angew. Chem. Int. Ed.,Chem. Commun.,Nano Research等期刊发表SCI论文5篇。


通讯作者介绍:

褚克,兰州交通大学材料学院教授,主要从事新型金属基复合材料及新能源材料的研究和开发。以第一/通讯作者身份在ACS Nano, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater, Adv. Funct. Mater., Small, Appl. Catal. B, Nano Research等国内外知名期刊发表SCI论文100余篇,总被引用6500余次 (H-index: 48), 先后有30余篇论文入选ESI高被引/热点论文,申请专利30余件(授权21件)。入选“全球前2%顶尖科学家”榜单、“全球顶尖前10万科学家”榜单(全球第22326位,2022.4)、英国皇家化学会“Top 1%高被引作者”、陇原青年英才、甘肃省“飞天学者”、中科院“西部青年学者”、陇原青年创新创业人才、甘肃省高校“青年教师成才奖”、省科技进步三等奖等。


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参考文献: