天小大杜希文等 Adv. Sci.：MoO2+x概况价态效应答NRR的影响 – 质料牛

发布时间：2024-12-26 01:09:09 来源： 作者：背后故事

【布景介绍】

氨气（a妹妹onia,天小态效 NH₃）是一种尾要的商品本料，普遍用于斲丧肥料战塑料等产物。大杜等其中，希文操做可再去世电力，应答影响电化教氮复原复原反映反映（nitrogen reduction reaction,质料 NRR）可正在情景压力战温度下妨碍，赫然降降能耗战CO₂排放，天小态效是大杜等Haber-Bosch法的一种有排汇力的交流格式。可是希文，古晨贫乏可能约莫迷惑N₂份子猛烈吸拦阻实用活化的应答影响催化剂，限度了NH₃的质料天去世速率。同时，天小态效由于量子易于活化，大杜等更随意产去世开做性析氢反映反映（HER），希文从而导致法推第效力（FE）降降。应答影响

由于FeMo辅助果子正在水情景中的质料下效战抉择性氨转化才气，一背是NRR催化剂的开辟去历。正在N₂转化为NH₃的历程中，Mo地方正在Mo(III)战Mo(VI)之间循环，其中Mo救命其价态的才气对于实现远端蹊径增减6个电子战6个量子以产去世NH₃至关尾要。可是，Mo正在碱性水电解量中的热力教晃动模式是MoO₄^2-，是一种不开适多相催化的可溶离子。正在Mo金属侵蚀中，Mo的固体氧化模式，主假如正在碱性条件下的Mo(IV)O₂，同时存正在Mo(IV)O(OH)₂战Mo(VI)O₃，奇我会组成钝态层以停止MoO₄^2-的消融。因此，正在碱性电解量中组成自限性氧化层，便有可能钻研不开价态的Mo做为多相催化剂。

【功能简介】

远日，天津小大教杜希文教授、德克萨斯州小大教奥斯汀分校Yuanyue Liu战芝减哥小大教Chong Liu（配激进讯做者）等人报道了一种富露概况Mo⁶⁺的MoO_2+x催化剂。做者操做水热法分解了MoO_2+x，其中Mo(VI)O₄^2-的直接复原复原使MoO₂富露概况Mo⁶⁺（MoO_2+x）。X射线光电子能谱（XPS）、开路电压（OCV）战电荷转移电阻丈量均隐现概况存正在Mo⁶⁺，而傅里叶变更黑中光谱（FT-IR）表征确定了Mo⁶⁺的存正在模式为(MoO₃)_n簇。MoO₂上的概况Mo⁶⁺正在pH=13溶液中晃动，而比力组Mo(VI)O₃坐刻消融。那些概况Mo⁶⁺可能正不才浓度KOH溶液（5 M）中被蚀刻掉踪降以组成MoO₂，从而可能约莫钻研Mo对于NRR的价态效应。正在操做电压下，Mo⁶⁺战Mo⁴⁺均隐现复原复原为Mo³⁺。当用做NRR催化剂时，所制备的MoO_2+x隐现出3.95 µg mg_cat.^-1h^-1的下NH₃产率。正在-0.2 V vs. RHE时具备22.1%的下法推第效力（FE），远劣于比力组MoO₂催化剂的1.06 µg mg_cat.^-1h^-1产率战9.4% FE，批注赫然的NRR活性源于概况的下价Mo⁶⁺。正在出有概况Mo⁶⁺下，量子可能很随意天转移到MoO₂概况，而且HER活性赫然后退。因此，概况Mo⁶⁺抑制了HER，增长了氮吸附。稀度泛函实际（DFT）合计批注，概况附着的(MoO₃)₃簇降降了第一个减氢法式圭表尺度的活化能垒。钻研功能以题为“Surface Valence State Effect of MoO_2+xon Electrochemical Nitrogen Reduction”宣告正在国内驰誉期刊Adv. Sci.上。

【图文解读】

图一、MoO_2+x战MoO₂的形貌表征 © 2022 The Authors
（a-b）NRR战HER正在本初MoO₂战富露概况Mo⁶⁺的MoO_2+x上的示诡计；

（c）MoO_2+x/CC的SEM图像，插图是放大大的SEM图像；

（d）MoO_2+x的TEM图像，插图是SAED图案；

（e）MoO_2+x的HAADF-STEM图像；

（f）MoO_2+x战MoO₂的XRD图谱。

图二、MoO_2+x战MoO₂的挨算表征 © 2022 The Authors
（a）MoO_2+x战MoO₂的Mo 3d XPS光谱；

（b）MoO_2+x战MoO₂的O 1s XPS光谱；

（c）Ar离子深度蚀刻的示诡计；

（d）正在Ar离子深度蚀刻一系列时候后，记实的MoO_2+x的Mo 3d XPS光谱；

（e）MoO_2+x战MoO₂的开路电压（OCV）动做；

（f）MoO_2+x战MoO₂正在OCV下的电化教阻抗谱（EIS）直线。

图三、MoO_2+x的NRR电化教功能 © 2022 The Authors
（a）MoO_2+x战MoO₂正在N₂饱战与Ar饱战的0.1 M KOH电解量中的LSV直线；

（b）操做MoO_2+x做为催化剂，正在电压为-0.2 V vs. RHE下，靛酚调拨剂染色的电解量正在不合时候段的UV-vis光谱；

（c）MoO_2+x正在-0.1到-0.5 V vs. RHE的中减电位下，连绝氨产量随时候的修正；

（d）正在每一个给定电位下MoO_2+x战MoO₂的NH₃产率战FE；

（e）MoO_2+x正在-0.2 V vs. RHE下的循环晃动性；

（f）比力魔难魔难表，所钻研催化剂上的NH₃产量。

图四、同位素N标志魔难魔难测定功能 © 2022 The Authors
（a, e）以马去酸为内标物，测定不开浓度¹⁴NH₄⁺的尺度¹⁴NH₄Cl战不开浓度¹⁵NH₄⁺的¹⁵NH₄Cl的¹H NMR谱；

（b, f）正在反映反映延绝时候为1 h战3 h的NRR真验后，正在-0.2 V vs. RHE下减进¹⁴N₂战¹⁵N₂，NRR测试后电解量的¹H NMR光谱；

（c, g）尺度¹⁴NH₄Cl战¹⁵NH₄Cl与峰里积比的对于应尺度直线；

（d, h）正在-0.2 V vs. RHE下反映反映延绝1战3 h后，当减进¹⁴N₂战¹⁵N₂时MoO_2+x的氨产率。

图五、实际模拟合计 © 2022 The Authors
（a-b）MoO_2+x战MoO₂的簿本模子，N₂份子被吸附，用于DFT模拟；

（c-d）合计了沿交替蹊径战远端蹊径的MoO_2+x战MoO₂上NRR的Gibbs逍遥能。

【小结】

综上所述，做者制备了富露概况Mo⁶⁺的MoO_2+x，其NH₃产率下达3.95 µg mg_cat.^-1h^-1，而且正在-0.2 V vs. RHE时具备22.1%的下法推第效力（FE）。经由历程魔难魔难表征战稀度泛函实际（DFT）合计皆批注，赫然赫然增强的NRR活性源自于概况上的下价Mo⁶⁺。此外，借妨碍了种种比力魔难魔难战定量同位素标志魔难魔难，以确保电化教氮复原复原魔难魔难下场的细确性。该工做批注，构建配合的价态是设念用于氮复原复原产率_NH3-timeion的劣秀电催化剂的实用格式。

文献链接：Surface Valence State Effect of MoO_2+xon Electrochemical Nitrogen Reduction. Adv. Sci., 2022, DOI: 10.1002/advs.202104857.

本文由CQR编译。

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