将电催化固氮的概念转化为应用的关键在于开发高效、低成本的电催化剂。层状双氢氧化物(LDHs),又称水滑石,由于具有多金属中心和较大的表面积,因此是用于水分解的很有潜力的电催化剂。然而,它们在电催化固氮中的活性并不理想。
有鉴于此,东华大学丁彬研究员、俞建勇院士、Yitao Liu等人,提出了一种简单而有效的磷掺杂方法来调节LDHs中的电荷分布,从而促进氮的吸附和活化,实现了对NRR的优异电催化活性。
本文要点
1)首先,在碳纳米纤维上通过外延生长合成了纳米片结构的Fe-Ni LDH阵列,具有表面积大、活性位点丰富的特点。更重要的是,Fe-Ni LDH进一步被磷掺杂,降低了金属位点周围的电子密度,可以产生更多的空d轨道,促进氮的吸附和活化。
2)而且,P掺杂的LDHs进一步与自支撑的导电基质(即碳纳米纤维膜)耦合,可以防止它们聚集,并确保电荷在界面上的快速转移。
3)制备的P掺杂的Fe-Ni@C纳米纤维催化剂在–0.5 V(vs. RHE)和0.1M Na2SO4中的氨产率高达1.72×10–10 mol s–1 cm–2,法拉第效率高达23%,明显优于未掺杂的催化剂。
总之,该工作为水滑石(LDHs)在电催化固氮领域中的应用提供了新的机会。
参考文献:
Bin Ding et al. Promoted Electrocatalytic Nitrogen Fixation in Fe–Ni Layered Double Hydroxide Arrays Coupled to Carbon Nanofibers: The Role of Phosphorus Doping. Angew., 2020.
DOI: 10.1002/anie.202005579
https://doi.org/10.1002/anie.202005579