催化学报 ›› 2026, Vol. 87: 269-281.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65080-2

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远端-交替杂化机制驱动B@Mo2TiC2Tx/MoO2 MXene高效还原N2

郭凤娟a, 马春瑶a, 黄悦a, 杭思彤a, 马俊伟a,*(), 高洪涛a,b,*()   

  1. a 青岛科技大学化学与分子工程学院, 山东青岛 266042
    b 山东省高性能聚烯烃材料与循环利用重点实验室, 山东青岛 266042
  • 收稿日期:2025-11-22 接受日期:2026-01-16 出版日期:2026-08-18 发布日期:2026-06-24
  • 通讯作者: *电子信箱: majw15@lzu.edu.cn (马俊伟),
    gaohtao@qust.edu.cn (高洪涛).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(41573103);山东省自然科学基金(ZR2021MB049);山东省自然科学基金(ZR2022QB211)

Unveiling the dominant distal-alternating hybrid mechanism in B-modulated Mo2TiC2Tx/MoO2 MXene for highly selective ambient NRR

Fengjuan Guoa, Chunyao Maa, Yue Huanga, Sitong Hanga, Junwei Maa,*(), Hongtao Gaoa,b,*()   

  1. a College of Chemistry and Molecular Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, Shandong, China
    b Shandong Key Laboratory of High-Performance Polyolefin Materials and Recycling, Qingdao 266042, Shandong, China
  • Received:2025-11-22 Accepted:2026-01-16 Online:2026-08-18 Published:2026-06-24
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(41573103);Shandong Natural Science Foundation of China(ZR2021MB049);Shandong Natural Science Foundation of China(ZR2022QB211)

摘要:

氨(NH3)是现代化工、农业、能源储存等领域广泛应用的重要原料, 其生产目前仍高度依赖高能耗、高碳排的Haber-Bosch工艺. 常温电催化氮还原反应(NRR)为此提供了绿色可持续的替代途径, 但其面临氨的产率和法拉第效率低的关键挑战. 传统NRR遵循交替或远端两种缔合路径, 前者易生成*NH2NH2中间体导致选择性下降, 后者则需克服较高的氮气激活与质子化的能垒. 本文旨在通过机制杂化策略, 融合两种路径优势, 开发高活性、高选择性的电催化剂, 以突破当前NRR的性能瓶颈.

本文从催化剂电子结构调控与反应路径设计出发, 设计并成功制备了B@Mo2TiC2Tx/MoO2 MXene异质结电催化剂, 创新性地提出并实验验证了“远端-交替”杂化机制驱动的高效NRR. 采用水热-硼氢化钠还原两步法, 实现了硼原子在Mo2TiC2Tx/MoO2界面处的掺杂. X-射线衍射、扫描电镜、高分辨透射电镜和X-射线光电子能谱表征结果证实, B掺杂有效提高了材料结晶度、诱导晶格收缩、减小层间距, 并在界面处形成Mo‒B‒O键合结构, 增强了异质结间的电子耦合. 电化学测试表明, 优化后的催化剂在0.1 mol L‒1  H2SO4电解液中, 于-0.2 V (vs. RHE)下展现出优异的NRR性能: 氨产率达121.18 μg h‒1 mg-cat‒1, 法拉第效率为75.94%, 且具备良好的循环稳定性与高选择性. 同位素标记实验(15N2)进一步证实氨产物完全来源于氮气还原. 原位傅里叶变换红外光谱分析与密度泛函理论计算结果揭示了B掺杂对反应路径的调控机制. B的引入使Mo的d带中心与O的p带中心上移靠近费米能级, 增强了催化剂向N2 未占据的2π*轨道的电子反馈, 显著降低N≡N键活化能垒. 而且, B掺杂诱导电荷从MoO2向MXene层的定向转移, 形成富电子界面, 并通过“捐赠-反馈”机制强化了B位点与N2的轨道耦合. 在反应路径上, 该催化剂突破了传统交替路径与远端路径的局限: 前两步加氢遵循远端模式(*N2→*NNH→*NNHH), 有效避免肼生成; 随后转为交替加氢模式(*NNHH→*NHNHH→*NH→*NH2→*NH3), 规避了纯远端路径中N‒N键断裂的高能垒步骤, 从而形成独特的“远端-交替”杂化机制. 该机制不仅降低了速率决定步骤的吉布斯自由能垒(0.45 eV), 同时通过增强N2吸附与削弱*H的吸附, 显著抑制了竞争性析氢反应, 最终实现高活性与高选择性的统一.

综上, 本工作成功制备了高性能B@Mo2TiC2Tx/MoO2电催化剂, 并在实验上实现了“远端-交替”杂化反应机制, 从电子结构与反应路径层面阐释了N2还原反应路径和微观机制. 该研究为通过杂原子掺杂与异质结工程协同调控催化反应路径提供了新思路, 对设计常温条件下高效、稳定的电催化合成氨催化剂具有重要的理论与实验参考价值, 也为推动电催化合成氨技术的实际应用奠定了基础.

关键词: B@Mo2TiC2Tx/MoO2电催化剂, 氮还原反应, 远端-交替杂化机制, 电子能带工程, 常温合成氨

Abstract:

Electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) under ambient conditions offers a sustainable alternative to the energy-intensive Haber-Bosch process. However, the two canonical catalytic pathways face intrinsic limitations: the alternating mechanism suffers from high *NH2NH2 desorption losses, while the distal pathway requires prohibitive activation energy for N2 protonation. The simultaneous realization of high activity and selectivity thus remains a critical challenge. Here, we demonstrate that boron doping modulates the electronic structure of Mo2TiC2Tx/MoO2 by upshifting the d-/p-band center toward the Fermi level, unveiling the dominant a hybrid “distal-alternating” pathway that favors the *NNHH → *NHNH2 transition rather than the *NNHH → *N cleavage. In addition, the electron-deficient B sites weaken the binding affinity toward Lewis-acidic protons under acidic conditions, thereby effectively suppressing the competing hydrogen evolution reaction. Significant interfacial charge transfer from MoO2 to the B@Mo2TiC2Tx surface further ensures a sufficient electron supply for N2 activation and stepwise hydrogenation. As a result, B@Mo2TiC2Tx/MoO2 delivers an impressive ammonia yield of 121.18 μg h‒1 mgcat.‒1 with a Faradaic efficiency of 75.94% at a mild potential of -0.2 V vs. RHE. This work unveils the mechanistic feasibility of a non-classical hybrid NRR pathway and establishes a rational strategy for designing next-generation high-efficiency nitrogen reduction electrocatalysts.

Key words: B@Mo2TiC2Tx/MoO2 electrocatalyst, Nitrogen reduction reaction, Hybrid distal-alternating mechanism, Electron band engineering, Ambient ammonia synthesis