电化学氮还原反应（NRR）通常会因N≡N解离缓慢而造成极低的法拉第效率和NH₃产率。

有鉴于此，湖南大学谭勇文教授报道了一种单原子Ru修饰的Mo₂CT_X MXene纳米片(记为SA Ru-Mo₂CT_X)，用于在常温下高效地电催化NRR。

文章要点

1）研究人员在氟化锂和盐酸的混合溶液中，通过典型的选择性腐蚀母体Mo₂Ga₂C的方法制备了几层Mo₂CTx纳米片。通过化学剥离形成了Mo₂CT_X纳米片的空位缺陷。此外，在蚀刻Ga层后，Mo层上形成的表面官能团(O²⁻，OH⁻)有助于静电吸附金属前驱体，这有利于Ru原子的进一步锚定。因此，当在连续搅拌下将含有Ru³⁺的RuCl₃溶液加入到MXene溶液中时，Ru³⁺均匀地吸附在Mo₂CT_X纳米片的表面。然后，Ru³⁺将被高度不稳定和还原的Mo空位缓慢还原并稳定，自发地形成更稳定的Ru掺杂Mo₂CT_X纳米片(记为SA Ru-Mo₂CT_X)。

2）研究发现，Ru的引入不会导致Mo₂CT_X纳米片的形貌发生变化。SAED图显示了SA Ru-Mo₂CT_X纳米片的高晶体质量。放大的HAADF‐STEM图像显示超薄SA Ru‐Mo₂CT_X纳米片中Ru原子呈现有序六边形分布且原子分散。EDX元素分析进一步证明了在整个SA Ru‐Mo₂CT_X纳米片中C，Mo和Ru的均匀分布，同时，未观察到Ru基结晶相，符合Mo₂CT_X纳米片上单原子Ru的均匀分散。X射线衍射图谱进一步表明，单原子Ru牢固地整合到Mo₂CT_X骨架中，而Ru纳米颗粒没有相分离。SA Ru‐Mo₂CT_X中的Ru质量载荷通过ICP-OES测定，纳米片的含量约为1.41 wt％。XANES谱清楚地表明SA Ru-Mo₂CT_X的Ru位于Ru箔和RuO₂之间，FT-EXAFS光谱则表明，在Ru SA-Mo₂CT_X纳米片中没有Ru团簇或纳米颗粒。

3）所制备的超低单原子Ru负载量的SA Ru-Mo₂CT_X催化剂表现出高的NRR活性、高的NH₃产率（40.57 µg h^-1 mg^-1）、法拉第效率（25.77％）和良好的稳定性，表现出优于已报道的大多数NRR催化剂的性能。

4）Operando X射线吸收光谱和密度泛函理论(DFT)计算进一步表明，锚固在MXene纳米片上的单原子Ru作为催化中间吸附和电子中心的活性位点具有重要作用，可以有效地促进N₂的活化，降低第一步加氢的热力学能垒，从而促进吸附的N₂的进一步加氢。

该研究工作为利用原子级工程策略提高电催化剂的催化性能开辟了一条有效的途径。

Wei Peng, et al, Spontaneous Atomic Ruthenium Doping in Mo2CTX MXene Defects Enhances Electrocatalytic Activity for the Nitrogen Reduction Reaction, Adv. Energy Mater. 2020

DOI: 10.1002/aenm.202001364

https://doi.org/10.1002/aenm.202001364