金属离子诱导MXene凝胶化-硫化策略提升电催化氮还原活性
文 章 信 息
金属离子诱导MXene凝胶化-硫化策略提升电催化氮还原活性
第一作者：李庆林
通讯作者：杨勇*，王琪*
单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，合肥工业大学
研 究 背 景
MXene，作为一种新型二维过渡金属碳化物或氮化物材料具有优异的导电性、丰富表面官能团化学性质、可调的层状结构等特点，近年来在能源、光电催化、气体分离等领域引起越来越多研究人员的关注。
然而， MXene二维材料层状结构间存在范德华作用力和氢键相互作用力，使其易堆叠和团聚，降低了表面活性位点的暴露、电子传递和传质过程，从而限制了其在电化学催化等多个领域的应用。
文 章 简 介
基于此，中国科学院青岛生物能源与过程研究所的杨勇研究员团队，在国际知名期刊Small上发表题为“A General Strategy toward Metal Sulfide Nanoparticles Confined in a Sulfur-Doped Ti3C2Tx MXene 3D Porous Aerogel for Efficient Ambient N2 Electroreduction”的研究文章。
该文章开发了一种金属离子诱导MXene凝胶化-硫化制备硫掺杂MXene负载金属硫化物纳米颗粒气凝胶的通用策略，所制备的三维纳米结构催化剂实现了电催化氮还原活性的极大提升。
图1. CoS@S-MAs纳米催化剂制备流程图以及电镜表征图。
文 章 要 点
要点一：金属阳离子诱导MXene凝胶化
MXene表面具有大量的-OH和-F官能团，通过引入带正电荷的金属阳离子(Fe2+,Co2+,Ni2+)，破坏了MXene层与层之间的静电斥力，使得MXene快速凝胶化，通过冷冻干燥，获得3D多孔MXene气凝胶(M2+/MAs)。
对M2+/MAs进一步硫化热解处理，获得了硫掺杂MXene负载金属硫化物纳米颗粒3D气凝胶纳米材料(MS@S-MAs)。金属阳离子不仅作为交联剂促使MXene凝胶化，还可通过硫化形成金属硫化物纳米颗粒作为氮气分子的吸附活化位点。
要点二：3D 多孔结构与界面相互作用
金属离子诱导MXene凝胶化-硫化策略制备得到的3D多孔气凝胶纳米催化剂CoS@S-MAs，相比于非气凝胶纳米材料CoS/S-MSs，具有大的比表面积，丰富的3D多级孔结构。该结构不仅有助于暴露更多的活性位点，增加氮气分子的吸附活化过程，还有利于电解液的流动，加快物质传递过程。
此外，硫化钴纳米颗粒与硫掺杂MXene之间形成大量的具有强相互作用的界面结构，不仅有助于抑制MXene的自堆叠现象，且利于界面处的电子转移和物质传递，从而加速了电化学氮还原反应动力学过程。
要点三：3D 多孔MXene气凝胶提升电化学氮还原活性
在室温常压温和条件下，该材料表现出优异的电化学氮还原反应催化活性，在电位为-0.15 V (vs. RHE), 实现了12.4 μg∙h-1mg-1cat 产氨速率和27.05 %法拉第效率。该活性数值超过了大多数已报道的钴基纳米催化剂。更重要的是，该催化剂具有优异的稳定性，经过50小时测试后电化学活性未见明显衰退。
此外，该金属离子诱导MXene凝胶化-硫化策略具有较强的普适性，可适用于制备三维气凝胶结构催化剂如FeS@S-MAs、CuS@S-MAs、NiS@S-MAs，且 均具有较大的比表面积、3D多孔结构和丰富的界面结构。
同样地，相比于非气凝胶结构催化剂，它们均表现出更加优异的电化学氮还原活性。该工作为合成MXene基3D多孔气凝胶结构纳米材料提供了新策略，为探索在能源催化转化、气体分离和光电催化转化等领域的研究提供了新思路。
通 讯 作 者 简 介
杨勇 研究员.
杨勇研究员2006年毕业于厦门大学，先后在日本、美国、新加坡进行研究工作，2016年加入中国科学院青岛生物能源与过程研究所，现担任低碳催化转化研究组负责人，研究员、博士生导师，英国皇家学会“牛顿高级学者”（2018），主要从事于金属有机催化、多相催化、光电化学催化材料设计及在有机转化应用研究。在Adv. Mater, J. Am. Chem. Soc, ACS. Catal, Chem. Sci, Green. Chem, ACS. AMI等国际刊物发表研究论文60余篇，申请专利18件，授权专利6件。目前主持国家自然科学基金、国际人才、山东省重点研发和山东省自然科学基金重点、企业合作等研究项目。
王琪 副教授.
2007年毕业于厦门大学，现担任合肥工业大学化学与化工学院副教授，主要从事研究方向为工业烟气污染物脱除及资源化技术；碳一催化。
第 一 作 者 简 介
李庆林 博士研究生。
主要从事炭基材料(MXene，生物质炭)开发，通过设计制备异质结等纳米结构催化剂，研究界面相互作用在热催化、光催化和电催化制备化学品等领域中的应用。目前，已发表SCI论文9篇，以第一作者发表在Small、ACS Appl. Mater. Interfaces等一区SCI期刊五篇，申请专利一项。
课题组介绍
低碳催化转化研究组成立于2016年，研究组主要围绕"绿色、可持续催化及洁净能源"等相关研究内容，针对存在的关键科学问题，从基础研究入手，通过概念和催化剂材料设计和制备方法的创新，发展新配体、新材料、和新催化剂体系，并系统开展金属有机催化、非均相催化和光电催化等方法应用于有机转化构建高附加值化合物的基础研究。目前，本研究组已经初步形成了一支人员结构合理、学术思想活跃、充满工作热情的研究团队。近年来，团队承担来自国家自然科学基金委、中国科学院、英国皇家学会、山东省重点研究计划等多项国家级和省部级研究项目。
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