催化学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (7): 1937-1944.DOI: 10.1016/S1872-2067(21)64020-2

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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

钱秀a, 魏艳娇a, 孙梦洁a, 韩野a,*(), 张晓俐d, 田健a,b,#(), 邵敏华b,c,$()   

  1. a山东科技大学材料科学与工程学院, 山东青岛266590
    b香港科技大学化学与生物工程系, 香港九龙
    c香港科技大学能源研究所, 重金属污染防治国家工程研究中心, 香港九龙
    d郑州大学材料科学与工程学院, 河南郑州450001
  • 收稿日期:2021-11-30 接受日期:2021-12-23 出版日期:2022-07-18 发布日期:2022-05-20
  • 通讯作者: 韩野,田健,邵敏华
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(51872173);山东省泰山学者青年专家(tsqn201812068);山东省高等学校青年创新团队(2019KJA013);青岛市科技惠民示范引导专项(20-3-4-3-nsh);重质油国家重点实验室开放基金(SKLOP202002006);香港特别行政区创新科技署(ITC-CNERC14EG03);香江学者计划(XJ2019042)

Heterostructuring 2D TiO2 nanosheets in situ grown on Ti3C2Tx MXene to improve the electrocatalytic nitrogen reduction

Xiu Qiana, Yanjiao Weia, Mengjie Suna, Ye Hana,*(), Xiaoli Zhangd, Jian Tiana,b,#(), Minhua Shaob,c,$()   

  1. aSchool of Materials Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, Shandong, China
    bDepartment of Chemical and Biological Engineering, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China
    cEnergy Institute, and Chinese National Engineering Research Center for Control & Treatment of Heavy Metal Pollution, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China
    dSchool of Materials Science and Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan, China
  • Received:2021-11-30 Accepted:2021-12-23 Online:2022-07-18 Published:2022-05-20
  • Contact: Ye Han, Jian Tian, Minhua Shao
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(51872173);Taishan Scholar Foundation of Shandong Province(tsqn201812068);Youth Innovation Technology Project of Higher School in Shandong Province(2019KJA013);Science and Technology Special Project of Qingdao City(20-3-4-3-nsh);Opening Fund of State Key Laboratory of Heavy Oil Processing(SKLOP202002006);Innovation and Technology Commission of the Hong Kong Special Administrative Region(ITC-CNERC14EG03);Hong Kong Scholars Program(XJ2019042)

摘要:

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, Ti3C2Tx MXene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. Ti3C2Tx MXene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Ti3C2Tx MXene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44.17 µg h-1 mg-1cat.(-0.95 V vs. RHE), 法拉第效率为44.68%(-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.

关键词: 电催化剂, 氮还原反应, TiO2纳米片, Ti3C2Tx MXene, 原位生长

Abstract:

In this study, TiO2 nanosheets (NSs) grown in situ on extremely conductive Ti3C2Tx MXene to form TiO2/Ti3C2Tx MXene composites with abundant active sites are proposed to effectively achieve electrocatalytic NH3 synthesis. Electron transfer can be promoted by Ti3C2Tx MXene with high conductivity. Meanwhile, the TiO2 NSs in-situ formation can not only avoid Ti3C2Tx MXene microstacking but also enhance the surface specific area of Ti3C2Tx MXene. The TiO2/Ti3C2Tx MXene catalyst reaches a high Faradaic efficiency (FE) of 44.68% at -0.75 V vs. RHE and a large NH3 yield of 44.17 µg h-1 mg-1cat. at -0.95 V, with strong electrochemical durability. 15N isotopic labeling experiments imply that the N in the produced NH3 originated from the N2 of the electrolyte. DFT calculations were conducted to determine the possible NRR reaction pathways for TiO2/Ti3C2Tx MXene composites. MXene catalysts combined with other materials have been rationally designed for efficient ammonia production under ambient conditions.

Key words: Electrocatalyst, N2 reduction reaction, TiO2 nanosheet, Ti3C2Tx MXene, In-situ growth