电化学N₂还原反应(NRR)为NH₃的可持续生产提供了一种有前景的途径，而优化催化剂材料的结构/电子配置是实现高效NRR电催化的关键。因此，合理地结合空位和异质结构工程，探索基于Ti₃C₂T_x-MXene的富氧空位MoO_3-x (MoO_3-x/MXene)作为高活性和选择性的NRR电催化剂。实现一个特殊NRR活动的NH₃收益率95.8μg h^-1mg^-1 (0.4 V)和感应电流的效率为22.3% (0.3 V)结合原位光谱,分子动力学模拟和密度泛函理论计算采用推出氧空位的协同效应和NRR异质结构,这说明MoO_3-x上的氧空位是N₂化学吸附和活化的活性位点，而MXene底物可以进一步调控氧空位打破标度关系，有效稳定*N₂/*N₂H而不稳定*NH₂/*NH₃，从而优化了NRR中间体对降低的能垒的结合亲和力，提高了MoO_3-x/MXene的NRR活性。
 
  
图1 a) MoO_3-x/MXene的合成工艺示意图。b) MoO_3-x/MXene的TEM图像。c)元素映射图像。d)高分辨图像。e,f) MoO_3-x纳米粒子在MXene上的三维原子成像和相应的晶格线扫描f)。
 
 
图2 a) Mo K-edge XANES和相应的b) MoO₃/MXene、MoO_3-x/MXene和Mo箔、MoO₂和MoO₃参考样品的EXAFS光谱。c) MoO₃、MoO₃/MXene和MoO_3-x/MXene的WT-EXAFS等高线图。d) MoO₃/MXene和MoO_3-x/MXene的EPR光谱。e) MoO₃/MXene和MoO_3-x/MXene的氮吸附/脱附等温线及其对应的孔径分布(插图)。f) MoO₃/MXene和MoO_3-x/MXene的电荷密度差。g) MoO₃、MoO_3-x、MoO₃/MXene和MoO_3-x/MXene的DOS。
 
  
图3。a) ¹⁴N₂和¹⁵N₂气体供给电解质及相应的¹⁴NH⁴⁺和¹⁵NH⁴⁺标准样品同位素标记核磁共振谱。b) NMR和UV-vis测试NH₃产率的比较。c) NRR电催化2 h后，MoO_3-x/MXene在不同电位下的时安培曲线和相应的紫外可见吸收光谱，e)获得NH₃产率和FEs。f)循环试验。g) 30 h的计时电流测定。h) NH₃产率/ fe (0.4 V)和(i) MoO₃、MoO_3-x、MoO₃/MXene和MoO_3-x/MXene的N₂-TPD光谱。
 
 
图4。不同催化剂的原位拉曼光谱研究: a)特制电解槽示意图。b-e) 0.4 V NRR电解过程中不同催化剂的拉曼光谱的三维时变图，以及对应的f-i) 二维图 (上)/等高线图(下)。
 
  
图5。a) 5 ns MD模拟后不同催化剂上N₂吸附动态过程的快照及其对应的b)放大图和f,g) N₂-催化剂相互作用的RDF曲线。
 
 
图6。a) N₂在不同催化剂上的吸附能。b)零电位时MoO₃/MXene和MoO_3-x/MXene酶促NRR通路的自由能图。c) MoO₃/MXene和MoO_3-x/MXene的N₂吸附电荷密度差异d) MoO₃/MXene和MoO_3-x/MXene中Mo-3d的PDOS用于确定d-带中心(ε_d)。e,f) MoO₃/MXene和MoO_3-x/MXene上的*N₂H和*NH₂中间体的PDOS。
 
  
图7。a) MoO_3-x和MoO_3-x/MXene在不同电位下的原位FTIR光谱(上)和相应的等高线图(下)。b) 5 ns MD模拟后NH₃在MoO_3-x和MoO_3-x/MXene上的动态吸附过程快照;c) NH₃-催化剂相互作用的RDF曲线。
  
        相关科研成果由兰州交通大学Ke Chu等人于2021年发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202103022)上。原文：Unveiling the Synergy of O-Vacancy and Heterostructure over MoO_3-x/MXene for N₂ Electroreduction to NH<sub>3。

转自《石墨烯研究》公众号</sub>