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负载半金属1T'-MoS2纳米片的Ti3C2 MXene实现N2向NH3高效电催化转化

▲第一作者:陈晓悦


通讯作者:邵敏华、田健、韩野

通讯单位:山东科技大学、香港科技大学

论文DOI:10.1016/j.apcatb.2022.121277


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全文速览



本团队首次通过一步水热法在Ti3CMXene表面负载半金属1T'相MoS2 (1T'-MoS2/Ti3C2复合材料)作为一种高效的非贵金属固氮电催化剂。在0.1 M Na2SO4溶液中,1T'-MoS2/Ti3C2复合材料在-0.95 V vs. RHE时实现了31.96 µg h-1 mg-1cat.的高氨产率,在-0.70 V vs. RHE时达到了30.75%的法拉第效率(FE),这比单独的纯1T'-MoS2和纯Ti3C2 MXene显著出色,也好于2H-MoS2/Ti3C2复合材料和1T-MoS2/Ti3C2复合材料。


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背景介绍


氨(NH3)是最重要的化学物质和无碳能源载体之一,全球年产量达1.5亿吨,主要采用传统的Haber-Bosch工艺生产。由于Haber-Bosch技术能耗高、温室气体排放量大,推行绿色、可持续的NH3生产策略具有重要意义。利用可再生电力,直接从N2和H2O电催化合成NH3已成为最具吸引力和重要的课题之一。在电化学氮还原反应(NRR,N2+3H2O→2NH3+3/2 O2)中,只需要水、N2(可以用空气代替)和电来生产NH3。催化剂已成为电催化NRR系统的核心组成部分。一些基于Mo的催化剂(包括Mo单原子、硫化物、氮化物和碳化物)已被认为是N2活化的有前景的候选。其中,MoS2具有与天然固氮酶相似的结构。然而,大多数报道的MoS2属于2H相。与对NRR有活性的半开放边缘结构不同,2H-MoS2的基面是硫改性结构,催化活性较差。由于金属1T-MoS2具有比2H-MoS2更多的暴露活性位点和更好的导电性,因此1T-MoS2的电催化NRR性能优于2H-MoS2。半金属1T'-MoS2作为1T-MoS2的衍生物,不仅保留了1T-MoS2优异的导电性和大量暴露的基/边活性位点,而且具有良好的稳定性,其NRR特性尚未研究。



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本文亮点


1T'-MoS2/Ti3C2复合材料的最佳NRR性能可归因于以下原因:首先,前人的工作已经证明半金属1T'-MoS2具有导电性并具有丰富的基/边活性位点,因此均匀分布1T'-MoS2/Ti3C2复合材料上的1T'-MoS2纳米片可以为NRR提供大量活性位点。其次,Ti3C2 MXene作为基材,由于其良好的导电性,可以加快电子的传输,即使也可能导致HER的增强,也可以实现更高的NH3产率。最后,少量TiO2半导体相的存在可以抑制更高的电位,可以获得更高的法拉第效率。



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图文解析


▲Figure 1. Schematic diagram of preparation process for 1T'-MoS2/Ti3C2 composites.



图1为样品合成示意图。Ti3AlC2 MAX首先用HF蚀刻以去除Al层以获得Ti3C2 MXene。然后通过水热法引入1T'-MoS2纳米片,该纳米片锚定在Ti3C2 MXene上形成1T'-MoS2/Ti3C2复合材料。


 

▲Figure 2. XRD pattern of (a) bulk Ti3AlC2, Ti3C2 MXene and 1T'-MoS2/Ti3Ccomposites with various loading of 1T'-MoS2 nanosheets (5, 7, 10 and 15 wt.% 1T'-MoS2); (b) 1T'-MoS2


▲Figure 3. SEM images of (a) Ti3AlC2, (b) Ti3C2 MXene and (c, d) 1T'-MoS2/Ti3C2 composites (10 wt.% 1T'-MoS2), respectively. (e) TEM images of 1T'-MoS2/Ti3C2 composites (10 wt.% 1T'-MoS2). (f) HRTEM images of 1T'-MoS2/Ti3C2 composites (10 wt.% 1T'-MoS2, the inset shows the magnification of the area enclosed by the orange square).


通过XRD研究了1T'-MoS2/Ti3C2 MXene复合材料的晶相和微晶尺寸变化。SEM、TEM和高角度环形暗场扫描TEM (HRTEM)图像(图3)说明了典型的1T'-MoS2/Ti3C2复合材料的形态特征。
 

▲Figure 4. (a) Survey, (b) Ti 2p, (c) C 1 s, (d) O 1s, (e) Mo 3d and (f) S 2p XPS spectra of 1T'-MoS2/Ti3C2 composites (10 wt.% 1T'-MoS2).


1T'-MoS2/Ti3C2复合材料的全光谱证实了Mo、S、Ti、C和O元素的存在。Mo 3d和S 2p的XPS光谱(图3e和f)表明1T'和2H相共存于1T'-MoS2/Ti3C2复合材料中,其中1T'相是主要相(~73.45%,根据Mo 3d和S 2p的1T'相和2H相的峰面积计算得出)。
 

▲Figure 5. (a) Linear sweep voltammetry (LSV) curves of 10 wt.% 1T'-MoS2/Ti3C2 composite materials recorded in N2-saturated (orange line) and Ar-saturated (black line) 0.1 M Na2SO4. (b) UV-vis absorption spectra of 0.1 M Na2SO4 electrolyte stained with indophenol indicator after electrolysis for 1T'-MoS2/Ti3C2 composites (10 wt.% 1T'-MoS2) at a series of potentials for 2 h. (c) NH3 yield rates and FEs of 1T'-MoS2/Ti3C2 composites (10 wt.% 1T'-MoS2) at a series of potentials. (d) 1H NMR spectra (400 MHz) of both 14NH4+ and 15NH4produced from the NRR reaction (at -0.95 V vs. RHE) using 14N2 or 15Nas the N2 source.


▲Figure 6. (a) NH3 yield rates and FEs of 10 wt.% 1T'-MoS2/Ti3C2 composites at -0.95 V vs. RHE during recycling tests for 6 times; (b) NH3 yield rates and FEs of pure Ti3C2 MXene, pure 1T'-MoS2 and 1T'-MoS2/Ti3Ccomposites with different content of 1T'-MoS2 (5, 7, 10 and 15 wt.%) at -0.95 V vs. RHE; (c) NH3 yield rates and FEs of 2H-MoS2/Ti3Ccomposites (10 wt.% 2H-MoS2), 1T-MoS2/Ti3Ccomposites (10 wt.% 1T-MoS2) and 1T'-MoS2/Ti3Ccomposites (10 wt.% 1T'-MoS2); (d) NH3 yield rates and FEs of 1T'-MoS2/Ti3C2 composites (10 wt.% 1T'-MoS2) with different N2 flow rates. All experiments and tests are carried out under ambient conditions of normal temperature and pressure.


对于1T'-MoS2/Ti3C2复合材料,随着电位越来越负,氨的产率呈现先上升后下降的趋势。在-0.95 V vs. RHE时的最大氨产率为31.96 µg h-1 mg-1cat.。随着电位的增加,FE继续下降,在-0.7 V vs. RHE时最高FE为30.75% (图5c)。此外,还制备了1T'-MoS2负载量的1T'-MoS2/Ti3C2复合材料并测试了它们的NRR特性。结果表明,纯Ti3C2 MXene和纯1T'-MoS2的氨产率为13.46和16.70 µg h-1 mg-1cat.,FEs分别为2.51%和1.40%,明显低于1T'-MoS2/Ti3C2复合材料(31.96 µg h-1 mg-1cat.和30.75%) (图6b)。此外,研究了不同相MoS2和Ti3C2 MXene复合之后的NRR性能。2H-MoS2/Ti
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