催化学报 ›› 2026, Vol. 85: 216-225.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)64978-9

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NiMoO4同质结d带工程促进选择性电化学氮还原制氨

任宇曦, 许堡荣, 靳瑜, 肖航, 牛冉冉, 刘威, 欧鸿辉(), 杨贵东()   

  1. 西安交通大学化学工程与技术学院, 氟氮化工新材料全国重点实验室, 陕西西安 710049
  • 收稿日期:2025-09-18 接受日期:2025-11-06 出版日期:2026-06-18 发布日期:2026-05-18
  • 通讯作者: *电子信箱: ouhonghui@xjtu.edu.cn (欧鸿辉),
    guidongyang@xjtu.edu.cn (杨贵东).
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2020YFA0710000);国家自然科学基金联合基金(U22A20391);陕西省创新能力支撑计划(2023-CX-TD-26);高等学校学科创新引智计划(B23025);陕西省重点研发计划(2023GXLH-004);榆林市科技计划基金(CXY-2022-148)

Homojunction-driven d-band engineering in NiMoO4 for selective electrochemical nitrogen reduction to ammonia

Yuxi Ren, Baorong Xu, Yu Jin, Hang Xiao, Ranran Niu, Wei Liu, Honghui Ou(), Guidong Yang()   

  1. State Key Laboratory of Fluorine & Nitrogen Chemicals, School of Chemical Engineering and Technology, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, Shaanxi, China
  • Received:2025-09-18 Accepted:2025-11-06 Online:2026-06-18 Published:2026-05-18
  • Contact: *E-mail: ouhonghui@xjtu.edu.cn (H. Ou),
    guidongyang@xjtu.edu.cn (G. Yang).
  • Supported by:
    National Key R&D Program of China(2020YFA0710000);Joint Funds of the National Natural Science Foundation of China(U22A20391);Innovation Capability Support Program of Shaanxi(2023-CX-TD-26);Program of Introducing Talents of Discipline to Universities(B23025);Key Projects in Shaanxi Province(2023GXLH-004);Science and Technology Plan Fund of Yulin City(CXY-2022-148)

摘要:

电催化氮还原反应(eNRR)利用电能在常温常压下直接将氮气(N2)与水中的质子耦合转化为氨(NH3). 相比传统的能源密集型Haber-Bosch工艺, 这项新型合成氨技术不仅避免了高碳排放, 还与可持续发展的目标高度契合. 然而, 快速发生的竞争性析氢反应(HER)与结构稳定的N≡N键(945 kJ mol-1)限制了eNRR反应效率: 电解质中的质子在催化剂表面将被优先还原为H2而非参与N2还原, 导致产氨法拉第效率(FE)低. 因此, 需要合理设计高选择性合成氨电催化剂以打破技术瓶颈.

催化剂对反应物的吸附与活化效率受其d带电子结构的直接影响. 通常d带中心越高, 催化剂对反应物的吸附能力更强. 当d带中心非常接近于费米能级时, 催化剂与质子强烈的相互作用将促进HER发生, 导致氮还原合成氨反应的选择性降低. 因此, 高效的氮还原催化剂需具备处于适当能级的d带电子, 使其可以在吸附活化N2的同时抑制竞争性的HER. 本研究通过简单的温度调控策略, 为氮还原反应定制了具有适配d带的α/β-NiMoO4异相同质结(根据合成温度, 样品命名为NMO-500), 实现了高选择性合成氨. 紫外光电子能谱结果表明, 在同质结界面的驱动下, NMO-500催化剂的d带中心相比单相β-NiMoO4(NMO-450)适度下移. 通过气相色谱收集反应过程中的产氢量, NMO-500的产氢量相比NMO-450催化剂明显降低, 说明下移的d带中心削弱了催化剂与质子的相互作用, 从而抑制了竞争性的HER反应. 电化学测试结果显示, 在常温常压的反应环境中, NMO-500催化剂在-1.1 V vs. Ag/AgCl的外加电压驱动下展现出更高的合成氨产率(63.9 μg h-1 mg-1)及高达33.5%的法拉第效率, 同时还具备良好的循环稳定性. NMO-500催化剂的合成氨性能明显超越其对应的单相催化剂NMO-450(β-NiMoO4)和α-NMO(α-NiMoO4), 证实了在同质结驱动下的d带调控策略可以显著提升催化剂NRR活性和选择性. 通过密度泛函理论计算确认活性位点时发现, N2分子优先在界面处β相的钼位点发生吸附和活化. 原位傅里叶变换红外光谱进一步检测到了N2在NMO-500催化剂表面被还原时产生的中间体和产物, 其信号随反应时间累积增强, 证实了氮还原反应在催化剂表面发生. 根据吉布斯自由能计算结果, N2在NMO-500表面以交替路径加氢时吉布斯自由能更有利, 说明N2在NMO-500催化剂表面还原时将优先选择交替反应机制.

综上, 本研究通过构筑异相同质结修饰d带电子结构, 成功削弱了催化剂与H的相互作用以抑制竞争性析氢反应, 显著提升了氮还原反应选择性, 为开发高效的氮还原电催化剂提供了新的视角.

关键词: 电催化, 异相同质结, d带修饰, 抑制析氢反应, 固氮

Abstract:

The selectivity of the electrochemical nitrogen reduction reaction (eNRR) is predominantly influenced by the d-band electronic structure of the catalyst. An effective catalyst requires d-band electrons at appropriate energy levels to activate N2 while simultaneously suppressing the competitive hydrogen evolution reaction (HER). In this study, an α/β-NiMoO4 heterophase homojunction with tailored d-band was constructed by a facile temperature-controlled strategy for selective electrochemical N2 to NH3 conversion. Experimental and theoretical results demonstrate that forming an α/β-NiMoO4 heterophase homojunction induced moderate downshift of the d-band center and weakened the metal-hydrogen interaction, thereby effectively suppressing the competitive HER. Electrochemical measurements reveal that the optimized NMO-500 catalyst exhibits a boosted ammonia yield rate (63.9 μg h-1 mg-1) with a high efficiency of 33.5% at -1.1 V vs. Ag/AgCl under ambient conditions, outperforming its single-phase NiMoO4 counterpart. Homojunction-driven d-band engineering stands out as a facile, effective, and rational strategy for developing high-performance eNRR catalysts.

Key words: Electrocatalysis, Heterophase homojunction, d-Band modification, Suppress hydrogen evolution reaction, Nitrogen fixation