近年来，通过使用生物催化，光催化和电催化方法，人们已进行了大量研究将N₂转化为NH₃以追求有效和可持续的催化作用。作为合成NH₃的一种策略， N₂还原反应（NRR）可以通过可再生电驱动，并在温和的温度和压力下进行。最近，科研人员已经开发一些策略来优化电催化剂以提高NRR，包括尺寸调节，晶体工程，离子结合，缺陷位点的引入和组分调节等。然而，作为精确调节催化性能的最有效策略之一，尚未发现表面结构调节在NRR中的作用。先前的研究表明，NRR的性能受到*N₂H和*NH₂之间两个重要中间体能量的线性比例的严重限制（*表示吸附位）。进一步的理论分析表明，Fe和Pt原子可以分别有效地解决*N₂H和*NH₂的能量问题，协同提供有效的活性位点以增强NRR活性。

有鉴于此，苏州大学黄小青教授首次报道了具有可调节形态（纳米立方体，纳米棒和纳米线）的定义明确的Pt₃Fe纳米晶体的受控合成，作为理想的电催化剂模型以研究不同暴露面上的NRR。

文章要点

1）研究人员采用简单的湿化学方法来控制Pt3Fe纳米晶体的合成。以Pt₃Fe NWs合成为例，选择四氯铂酸钾（II）（K₂PtCl₄）和九碳羰基铁（Fe₂(CO)₉）作为金属前体，核糖用作还原剂，十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）和油胺（OAm）分别用作表面活性剂和溶剂。

2）HAADF-STEM和TEM图像显示，获得的均匀的Pt₃Fe NWs其平均直径为15 nm，并且在整个长度上呈锯齿形边界。SAED图像进一步表明Pt3Fe NWs具有良好的结晶度和fcc结构。球差校正HRTEM图像显示出Pt3Fe NWs明显的晶格条纹，晶格间距为0.195 nm。此外，可以很容易地观察到具有高催化性能的{311}高折射率刻面。

3）当用麦芽糖替代核糖时，在保持其他合成参数不变的情况下，可以获得平均直径为5 nm的Pt₃Fe NCs。同时，仅改变Pt的前体即可实现平均直径为3 nm的Pt₃Fe NRs。Pt3Fe NCs和Pt3Fe NRs的晶格间距经测量为0.195 nm和0224 nm，分别对应于{200}和{111}面。因此，已经成功地创建了界限分明的，面明确的Pt₃Fe纳米晶体，可以用作理想的模型电催化剂，从根本上理解表面结构和催化之间的关系。

4）电催化研究表明，Pt3Fe纳米晶体表现出形状依赖性的NRR电催化作用。优化的Pt3Fe纳米线与高折射率小面相连，具有出色的选择性（未检测到N2H4），高活性，NH₃产量为18.3 µg h^-1 mg^-1_cat（0.52 µg h^-1 cm^-2_ECSA），法拉第效率为7.3％，相对于可逆氢电极在-0.05 V时。其性能优于{200}面封闭的Pt₃Fe NCs和{111}面封闭的Pt₃Fe NRs。五个循环后的活性变化可忽略不计，显示出良好的稳定性。

5）DFT计算表明，在高指数表面工程中，Pt与邻近的Fe位点之间强烈的轨道相互作用引起明显的相关效应，从而增强了Pt-5d电子活性，实现了有效的NRR。

Wu Tong, et al, Exposed facet-controlled N2 electroreduction on distinct Pt3Fe nanostructures of nanocubes, nanorods and nanowires, National Science Review, 2020

DOI：10.1093/nsr/nwaa088

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa088