大连理工：B/N共掺杂碳纳米管负载Mo/BCN，用于N2电还原为NH3

成果简介

尽管常温下的电化学氮气还原反应（ENRR）是一种很有前途的人工合成氨路线，但其效率还不够高，因此无法大规模应用。受自然界根瘤菌含钼固氮酶的启发，Mo单原子位点有望成为用于ENRR的高效电催化剂。本文，大连理工大学叶俊伟教授，宁桂玲教授团队在《ACS Catal》期刊发表名为“Anchoring Mo Single-Atom Sites on B/N Codoped Porous Carbon Nanotubes for Electrochemical Reduction of N2 to NH3”的论文，研究设计并合成了一种B/N共掺杂多孔碳纳米管负载的Mo单原子位点（Mo/BCN），并将其作为促进ENRR的电催化剂。

由于其独特的管状结构，Mo/BCN具有较高的比表面积和丰富的不饱和金属原子配位，使其在室温下对N2具有良好的电催化还原性能。结果表明，Mo/BCN具有良好的ENRR活性，在0.1 M KOH和0.1 M HCl中的氨产率分别为37.67 mg h−1 mgcat−1和33.29 mg h−1 mgcat−1，法拉第效率分别为13.27%和7.86%。密度泛函理论（DFT）计算和扩展X射线吸收精细结构分析表明，Mo位点由B原子和N原子共同固定在纳米管上，能够活化氮分子，降低*NN→*NNH的自由能。本工作有望为开发用于ENRR的SAC提供一定参考。

图文导读

图1. (a) Mo/BCN的合成和结构示意图，(b,c) Mo/BCN 的SEM照片，(d) Mo/BCN 的 TEM 照片，(e) Mo/的 HAADF-STEM照片BCN，(f) BCN和Mo/BCN的XRD图谱，(g) Mo/BCN的N2吸附和解吸曲线，以及 (h-l) B、C、N 和Mo的元素映射。

图2. (a) B 1s、(b) C1s、(c) N1s 和 (d) Mo 3d 的高分辨率 XPS 光谱。

图3. (a) Mo/BCN、Mo 箔和 MoO 3在 Mo K 边缘的归一化 XANES 光谱。(b) 在k 3加权 K 边缘处的 EXAFS 光谱的 FT 。(c) Mo/BCN 的 FT EXAFS 光谱的拟合。(d-f) 用于 Mo/BCN、Mo箔和 MoO3的 EXAFS 的 WT 。

图4. (a) Mo/BCN在N 2饱和或Ar饱和电解液中的LSV曲线，(b) 7200 s不同电位下的时间电流曲线(vs RHE)，(c) NH 3收率和FE Mo/BCN 在 0.1 M KOH 中的不同电位，(d) Mo/BCN 在 0.1 M HCl 中不同电位的 NH 3 产率和 FE，(e) 在 -0.4 V 的电势下每个循环的 NH 3产率和FE在 0.1 M KOH 中，和 (f ) 使用14 N 2或15 N 2由 ENRR 反应（相对 RHE 为 -0.4）产生的14 NH 4 +和15 NH 4 +的1 H NMR 光谱 (500 MHz)作为N2源。

图5. (a)在远端路径下N 2转化为 NH 3的拟议反应机制。灰色、蓝色、粉色、绿色和白色球分别代表 C、N、B、Mo 和 H。(b) 通过交替、远端和酶促机制在 Mo/BCN 上的 ENRR 的自由能图。

文献：

https://doi.org/10.1021/acscatal.2c01293