通訊作者：Martin Oschatz

通訊單位：馬克斯-普朗克膠體與界面研究所

成果一覽

采用可再生能源（風能、太陽能等）產(chǎn)生電能用于驅(qū)動N2還原制取氨氣（NH3）是有前景且綠色環(huán)保的技術(shù)之一。但由于N2是極其惰性分子，大大地限制了電催化N2還原制取NH3的發(fā)展，因此需要開發(fā)高活性高選擇性的電催化劑。

Ti基材料對N原子的吸附結(jié)合強于H原子，從而導致對N2有更好的還原能力。德國馬普所的Martin Oschatz博士基于氧空位氧化鈦的多功能氧化還原化學性質(zhì)，設計了新型的碳摻雜氧化鈦電催化劑(C-TixOy/C)。研究者選擇MOF（MIL-125（Ti））前驅(qū)體，通過富含氧空位（O–）的MOF材料一步熱轉(zhuǎn)化制備碳摻雜氧化鈦電催化劑（C-TixOy/C），在碳摻雜過程中，碳原子取代部分氧空位（O–），形成新的Ti-C鍵。該催化劑寬的能帶結(jié)構(gòu)以及部分陰離子被取代，為N2的活化提供大量的活性位點，從而提升催化劑的電化學性能，NRR最高FE為17.8％，NH3產(chǎn)率為14.8 μgh-1mg-1。

圖文導讀

圖1 C-TixOy/C催化劑形貌結(jié)構(gòu)表征

圖2 不同煅燒溫度C-TixOy/C催化劑微觀結(jié)構(gòu)信息表征

圖3 C-TixOy/C催化劑電化學NRR性能表征

圖4 C-TixOy/C催化劑自由能計算圖

本文提出了一種通過在金紅石陰離子晶格摻雜碳原子，形成新的活性位點激活N2的新模式。通過簡單的MIL-125（Ti）熱解，開發(fā)了一種高效的C-TixOy/C納米復合材料NRR電催化劑。在制備過程中，碳原子摻入晶體晶格中，取代部分氧空位，形成新的Ti-C鍵，為N2的吸附于活化提供大量的活性位點。同時催化劑中碳原子和氧空位的濃度（Ti-C鍵的濃度）可以通過合成溫度來調(diào)節(jié)。

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經(jīng)過DFT計算，C摻雜取代氧空位（O–）形成Ti-C鍵的可以提高對N2激活和還原的能力。該研究合理地將雜原子摻雜到過渡金屬氧化物的陰離子晶格中以形成活性中心的策略為催化劑的合理設計提供新思路。

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文獻信息

Enhanced electrocatalytic N2?reduction via partial anion substitution in titanium oxide-carbon composites

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(Angewandte Chemie International Edition，2019，DOI: 10.1002/anie.201906056)

原文鏈接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201906056