【原】香港科技大学邵敏华与山东科技大学田健ACS Catal.：MoSe2纳米薄片与Ti3C2Tx MXene复合用于电催化氮气还原

导语

由可再生电力驱动的在环境条件下，电化学N₂还原（eNRR）合成NH₃作为一种可用于替代传统的Haber-Bosch工艺已被广泛研究。N≡N三键键能极高，在环境条件下很难使其断裂，因此，需要设计一种具有高催化活性的电催化剂用于NRR。MXenes，作为一种新型的二维（2D）材料由于其独特的物理和化学性质，在电化学领域表现出优异的适用性。

近日，香港科技大学邵敏华教授与山东科技大学田健教授合作，在国际知名期刊ACS Catalysis上发表题为“Synergistic Enhancement of Electrocatalytic Nitrogen Reduction over Few-Layer MoSe₂ Decorated Ti₃C₂T_x MXene”的观点文章（DOI: 10.1021/acscatal.2c01172）。本篇观点展示了MXene用于增强电催化氮气还原性能的一些工作，同时对其反应机理进行了阐述。此外，还与近期MXene用于增强NRR性能进行了对比讨论。本文为未来设计理想的催化剂提供了研究方向，有助于加速电催化固氮技术的研究及实际应用。

图1. 具有高催化活性的理想催化剂MoSe₂/Ti₃C₂T_x的制备工艺示意图

（来源：ACS Catalysis）

通讯作者简介

邵敏华教授简介：香港科技大学化学与生物分子工程系教授，香港科技大学能源研究院副主任。2007年加入UTC Power负责质子交换膜燃料电池用先进的催化剂的研发以及膜电极的优化，期间主要负责和丰田汽车公司的合作，共同开发车用燃料电池先进技术，2012年被提升为UTC Technical Fellow和项目经理。2013年加入福特汽车公司，专注下一代电动车用锂离子电池的研究。2014年加盟香港科大。发表过180余篇文章，30多个国际专利申请（16项授权）。曾获得多个奖项，包括美国电化学会Supramaniam Srinivasan青年研究者奖（2014）等。是Journal of The Electrochemical Society副主编。目前主要研究方向为燃料电池、电催化、二次电池、理论模拟等。

田健教授简介：山东科技大学材料学院 副院长，教授，博士生导师。长期从事光电催化制氢制氧、固氮、二氧化碳还原研究的工作。以第一作者和通讯作者在Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Nano Energy、Applied Catalysis B: Environmental、ACS Catalysis、Small等杂志发表SCI论文97篇，其中包括影响因子10以上论文26篇，他引8200余次（H-index：48）。入选山东省优青（2017年）、山东省泰山学者青年专家（2018年）、香江学者（2019年）。

第一作者简介

钱秀简介：2019年本科毕业于山东科技大学，研究生师从田健教授。研究生期间主要从事电催化氮气还原反应性能研究，期间以第一作者身份分别在ACS Catalysis、Chinese Journal of Catalysis发表论文各1篇。在2021中国材料大会上做口头报告。

田健课题组简介

钱秀简介：2019年本科毕业于山东科技大学，研究生师从田健教授。研究生期间主要从事电催化氮气还原反应性能研究，期间以第一作者身份分别在ACS Catalysis、Chinese Journal of Catalysis发表论文各1篇。在2021中国材料大会上做口头报告。

课题组招聘：

欢迎广大有志青年报考山东科技大学材料科学与工程学院的硕博研究生。

前沿科研成果

MoSe₂纳米薄片与Ti₃C₂T_x MXene复合用于电催化氮气还原

要点一：异质结结构的构建

MXenes，作为一种新型二维（2D）材料，由于其独特的二维几何形状、高导电性、良好的化学稳定性和环境友好性，在电化学领域表现出优异的适用性。然而，纯MXene的NH₃产率仍不能令人满意，这限制了其在eNRR领域的进一步应用。最近，具有分子式MX₂的过渡金属二硫属化物（TMDs）已显示出良好的催化活性。在各种TMDs中，由Se-Mo-Se原子层组成的MoSe₂已被公认为一种出色的活性催化剂。然而，纯MoSe₂纳米片的聚集往往会损害其对eNRR的催化活性。避免聚集的一种有效方法是将MoSe₂纳米片固定在合适的二维基板上。为此，作者假设将MoSe₂纳米薄片锚定在Ti₃C₂T_x MXene基板上形成的MoSe₂/Ti₃C₂T_x异质结可能具有较高的eNRR倾向。

 

要点二：增强的电催化固氮性能

研究发现，相比较于纯的MoSe₂和Ti₃C₂T_x，MoSe₂/Ti₃C₂T_x催化剂在产氨率以及法拉第效率方面都得到进一步提高。MoSe₂/Ti₃C₂T_x MXene的优越电催化固氮性能可以归功于MoSe₂和Ti₃C₂T_x之间的协同效应。MoSe₂锚定在导电MXene基板上可以防止MoSe₂纳米薄片的团聚，从而获得更好的NRR性能。

图2. MoSe₂/Ti₃C₂T_x MXene催化剂在0.1 M HCl电解质中的电化学性能

（来源：ACS Catalysis）

要点三：DFT计算用于阐述eNRR反应机理

进行密度泛函理论（DFT）计算以更深入地了解MoSe₂/Ti₃C₂T_x的eNRR机制。对于MoSe₂和MoSe₂/Ti₃C₂T_x，作者认为Mo原子是eNRR的可能活性位点。作为eNRR的活性位点，N₂分子可以高效地吸附在Mo原子上，有利于N₂还原为NH₃。计算结果表明，对于MoSe₂和MoSe₂/Ti₃C₂T_x催化剂，*N-NH到*NH-NH的加氢过程是上坡路径，而*N-NH到*N-NH₂的加氢过程是下坡路径，说明MoSe₂/Ti₃C₂T_x合成NH₃的首选途径是远端途径。DFT结果表明MoSe₂/Ti₃C₂T_x电催化剂比MoSe₂能更有效地催化eNRR，并且Mo原子被认为是eNRR的主要活性位点。