氨(NH3)不仅是农业化肥和日常工业中重要的化学原料，也是绿色能源领域中理想的氢能载体。Haber-Bosch工艺一直是人工合成氨的主要方法，但该工艺需要在高压和高温下运行，还会排放大量CO2。由可再生电能驱动的电催化N2还原反应(NRR)是替代Haber-Bosch工艺的有效方法。
经过研究人员的不懈努力，已经开发出了许多高效的NRR催化剂，但目前它们的电催化性能还远不能满足生产需求。以Ru为代表的贵金属催化剂具有良好的催化性能，但其成本高和稀缺性阻碍了NRR的进一步的发展。因此，有必要设计并开发高效的非贵金属以提高NRR的活性和选择性。近日，武汉大学肖湘衡、贺栋和柯尊健等在Bi2WO6晶格中引入了具有未占据d轨道的Ti原子(Ti-Bi2WO6 NSs)，成功地激活了NRR的催化活性。实验结果和理论计算表明，Ti的引入成功地调整了表面电位的分布和增强N2吸附，随后d (Ti)-p (N)轨道的强杂化耦合填充了N2的2π*反键分子轨道，极大地削弱了N≡N键的键合强度，降低了N2的活化能垒。同时，表面电位极化增强了Bi-Ti双金属位点对HNN*的吸附，并通过热力学优势远端路径成功地将N2电还原为NH3。此外，二维材料独特的约束效应使杂原子掺杂后的结构具有良好的稳定性。电化学性能测试结果显示，在0.1 M HCl溶液中，所制备的Ti-Bi2WO6 NSs催化剂表现出优异的NRR催化性能，NH3产率和法拉第效率分别为23.14 μg mg−1 h−1和11.44%；此外，该催化剂在−0.2 V下连续电解24小时没有发生明显的活性下降，且经过长期的NRR反应后，催化剂的晶体结构和形貌基本保持不变，表现出优异的反应稳定性。总的来说，该项工作通过实验和理论计算揭示了Ti原子在提高Bi2WO6催化活性方面所起到的重要作用，为通过二维材料掺杂工程提高NRR催化性能提供了有效的指导。Tuning surface potential polarization to enhance N2 affinity for ammonia electrosynthesis. Advanced Materials, 2024. DOI: 10.1002/adma.202401032
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