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固体所在金属-氧化物界面电催化固氮研究方面取得进展

2019-05-21 14:57
激光之家
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近日,中国科学院固体物理研究所液相激光加工与制备实验室构筑了具有丰富钯-氧化钯界面的异质结结构,且在金属-氧化物界面电催化固氮研究方面取得进展。

据了解,氨是一种重要的工业原料,在化工、轻工、化肥和制药等领域具有广泛的应用。哈珀法(Haber-Bosch)(一种通过氮气及氢气产生氨气的方法)是当前大规模工业合成氨的主要方式,但存在反应条件苛刻、资源消耗大和污染严重的缺点,因此从资源与环境可持续发展的角度出发,实现温和条件下氨的合成具有重要的实用价值和意义。电催化氮还原反应(NRR)是近年来发展迅猛的常温下实现合成氨的主要方式之一。电催化剂是NRR过程高效合成氨的关键,它不仅需要克服氮气缓慢的动力学吸附过程实现氮气分子活化,还需要考虑竞争反应—氢还原反应(HER)对NRR过程的影响。

研究表明,金属-氧化物界面之间的相互作用在为表面N2分子提供稳定、高效活化场所的同时,还可以有效抑制HER副反应的发生,从而提升NRR反应的法拉第效率。以钯-氧化钯(Pd-PdO)异质结为例,复合体系中的PdO相较于Pd更易吸附表面质子H形成可活化氮气的稳定相—α-PdH,因此,通过界面处Pd、PdO的协同作用能够极大地提高催化剂的电催化合成氨效率。

鉴于此,固体所液相激光加工与制备实验室通过Nd:YAG激光辐照PdO负载的碳纳米管,利用激光诱导的光热效应还原PdO生成Pd,通过控制激光束能量和辐照时间,构筑了具有丰富Pd-PdO界面的异质结结构。在15 mJ脉冲激光能量条件下,355nm激光辐照10 min形成的PdO/Pd/CNTs异质结表现出最佳的NRR性能,其氨产率为18.2 μg mg-1h-1,且在碱性电解质中的法拉第效率达到11.5%。激光辐照诱导产生的PdO-Pd界面值是影响CNTs负载PdO/Pd异质结NRR性能的关键,这是由于Pd-PdO界面一侧的Pd可以有效吸附N2分子形成Pd-N2键,而另一侧的PdO则可以传送质子H形成α-PdH并破坏N≡N,PdO和Pd之间的协同效应有效缩短了质子传递距离,降低了化学反应过电势,其电催化氮气转化效率相较于单一的Pd和PdO催化剂得到了有效提高。本研究工作是对基于液相激光技术合成高性能光、电催化剂的进一步拓展,对研究金属-氧化物界面增强NRR性能具有重要的参考价值。

相关结果以全文形式发表在Journal of Materials Chemistry A (DOI: 10.1039/c9ta02045d)杂志上。

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