文 章 信 息

金屬離子誘導(dǎo)MXene凝膠化-硫化策略提升電催化氮還原活性

第一作者：李慶林

通訊作者：楊勇*，王琪*

單位：中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所，合肥工業(yè)大學(xué)

研 究 背 景

MXene，作為一種新型二維過渡金屬碳化物或氮化物材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、豐富表面官能團(tuán)化學(xué)性質(zhì)、可調(diào)的層狀結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，近年來在能源、光電催化、氣體分離等領(lǐng)域引起越來越多研究人員的關(guān)注。

然而， MXene二維材料層狀結(jié)構(gòu)間存在范德華作用力和氫鍵相互作用力，使其易堆疊和團(tuán)聚，降低了表面活性位點(diǎn)的暴露、電子傳遞和傳質(zhì)過程，從而限制了其在電化學(xué)催化等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

文 章 簡 介

基于此，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所的楊勇研究員團(tuán)隊(duì)，在國際知名期刊Small上發(fā)表題為“A General Strategy toward Metal Sulfide Nanoparticles Confined in a Sulfur-Doped Ti3C2Tx MXene 3D Porous Aerogel for Efficient Ambient N2 Electroreduction”的研究文章。

該文章開發(fā)了一種金屬離子誘導(dǎo)MXene凝膠化-硫化制備硫摻雜MXene負(fù)載金屬硫化物納米顆粒氣凝膠的通用策略，所制備的三維納米結(jié)構(gòu)催化劑實(shí)現(xiàn)了電催化氮還原活性的極大提升。

圖1. CoS@S-MAs納米催化劑制備流程圖以及電鏡表征圖。

文 章 要 點(diǎn)

要點(diǎn)一：金屬陽離子誘導(dǎo)MXene凝膠化

MXene表面具有大量的-OH和-F官能團(tuán)，通過引入帶正電荷的金屬陽離子(Fe2+,Co2+,Ni2+)，破壞了MXene層與層之間的靜電斥力，使得MXene快速凝膠化，通過冷凍干燥，獲得3D多孔MXene氣凝膠(M2+/MAs)。

對M2+/MAs進(jìn)一步硫化熱解處理，獲得了硫摻雜MXene負(fù)載金屬硫化物納米顆粒3D氣凝膠納米材料(MS@S-MAs)。金屬陽離子不僅作為交聯(lián)劑促使MXene凝膠化，還可通過硫化形成金屬硫化物納米顆粒作為氮?dú)夥肿拥奈交罨稽c(diǎn)。
要點(diǎn)二：3D 多孔結(jié)構(gòu)與界面相互作用

金屬離子誘導(dǎo)MXene凝膠化-硫化策略制備得到的3D多孔氣凝膠納米催化劑CoS@S-MAs，相比于非氣凝膠納米材料CoS/S-MSs，具有大的比表面積，豐富的3D多級孔結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅有助于暴露更多的活性位點(diǎn)，增加氮?dú)夥肿拥奈交罨^程，還有利于電解液的流動，加快物質(zhì)傳遞過程。

此外，硫化鈷納米顆粒與硫摻雜MXene之間形成大量的具有強(qiáng)相互作用的界面結(jié)構(gòu)，不僅有助于抑制MXene的自堆疊現(xiàn)象，且利于界面處的電子轉(zhuǎn)移和物質(zhì)傳遞，從而加速了電化學(xué)氮還原反應(yīng)動力學(xué)過程。
要點(diǎn)三：3D 多孔MXene氣凝膠提升電化學(xué)氮還原活性

在室溫常壓溫和條件下，該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)氮還原反應(yīng)催化活性，在電位為-0.15 V (vs. RHE), 實(shí)現(xiàn)了12.4 μg?h-1mg-1cat 產(chǎn)氨速率和27.05 %法拉第效率。該活性數(shù)值超過了大多數(shù)已報(bào)道的鈷基納米催化劑。更重要的是，該催化劑具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，經(jīng)過50小時(shí)測試后電化學(xué)活性未見明顯衰退。

此外，該金屬離子誘導(dǎo)MXene凝膠化-硫化策略具有較強(qiáng)的普適性，可適用于制備三維氣凝膠結(jié)構(gòu)催化劑如FeS@S-MAs、CuS@S-MAs、NiS@S-MAs，且 均具有較大的比表面積、3D多孔結(jié)構(gòu)和豐富的界面結(jié)構(gòu)。

同樣地，相比于非氣凝膠結(jié)構(gòu)催化劑，它們均表現(xiàn)出更加優(yōu)異的電化學(xué)氮還原活性。該工作為合成MXene基3D多孔氣凝膠結(jié)構(gòu)納米材料提供了新策略，為探索在能源催化轉(zhuǎn)化、氣體分離和光電催化轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域的研究提供了新思路。

通 訊 作 者 簡 介

楊勇 研究員.

楊勇研究員2006年畢業(yè)于廈門大學(xué)，先后在日本、美國、新加坡進(jìn)行研究工作，2016年加入中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所，現(xiàn)擔(dān)任低碳催化轉(zhuǎn)化研究組負(fù)責(zé)人，研究員、博士生導(dǎo)師，英國皇家學(xué)會“牛頓高級學(xué)者”（2018），主要從事于金屬有機(jī)催化、多相催化、光電化學(xué)催化材料設(shè)計(jì)及在有機(jī)轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究。在Adv. Mater, J. Am. Chem. Soc, ACS. Catal, Chem. Sci, Green. Chem, ACS. AMI等國際刊物發(fā)表研究論文60余篇，申請專利18件，授權(quán)專利6件。目前主持國家自然科學(xué)基金、國際人才、山東省重點(diǎn)研發(fā)和山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)、企業(yè)合作等研究項(xiàng)目。

王琪 副教授.

2007年畢業(yè)于廈門大學(xué)，現(xiàn)擔(dān)任合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院副教授，主要從事研究方向?yàn)楣I(yè)煙氣污染物脫除及資源化技術(shù)；碳一催化。

第 一 作 者 簡 介

李慶林 博士研究生。

主要從事炭基材料(MXene，生物質(zhì)炭)開發(fā)，通過設(shè)計(jì)制備異質(zhì)結(jié)等納米結(jié)構(gòu)催化劑，研究界面相互作用在熱催化、光催化和電催化制備化學(xué)品等領(lǐng)域中的應(yīng)用。目前，已發(fā)表SCI論文9篇，以第一作者發(fā)表在Small、ACS Appl. Mater. Interfaces等一區(qū)SCI期刊五篇，申請專利一項(xiàng)。

課題組介紹

低碳催化轉(zhuǎn)化研究組成立于2016年，研究組主要圍繞"綠色、可持續(xù)催化及潔凈能源"等相關(guān)研究內(nèi)容，針對存在的關(guān)鍵科學(xué)問題，從基礎(chǔ)研究入手，通過概念和催化劑材料設(shè)計(jì)和制備方法的創(chuàng)新，發(fā)展新配體、新材料、和新催化劑體系，并系統(tǒng)開展金屬有機(jī)催化、非均相催化和光電催化等方法應(yīng)用于有機(jī)轉(zhuǎn)化構(gòu)建高附加值化合物的基礎(chǔ)研究。目前，本研究組已經(jīng)初步形成了一支人員結(jié)構(gòu)合理、學(xué)術(shù)思想活躍、充滿工作熱情的研究團(tuán)隊(duì)。近年來，團(tuán)隊(duì)承擔(dān)來自國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、英國皇家學(xué)會、山東省重點(diǎn)研究計(jì)劃等多項(xiàng)國家級和省部級研究項(xiàng)目。

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