以空氣為氮源的可再生能源驅動的N
2電還原是實現規模化綠色氨生產的巨大希望。然而，相關的實驗室外研究還處于起步階段。本文通過控制蝕刻Sn@Ti
2SnC MAX相，合成了具有豐富Sn空位的新型Sn基MXene/MAX雜化物Sn@Ti
2CTX/ Ti
2SnC-V，并證明了該雜化物是電催化還原N2的高效電催化劑。由于MXene/MAX異質結構的協同作用，Sn空位的存在和Sn活性位點的高度分散，所得Sn@Ti
2CTX/ Ti
2SnC-V在−0.4 V下的NH
3產率為28.4µg h
−1 mg
cat−1，與0.1 M Na
2SO
4中可逆氫電極相比，FE為15.57%，并且具有超長的耐用性。值得注意的是，在自制的模擬裝置中，該催化劑的NH
3產率為10.53µg h
−1 mg
−1，以商用電化學光伏電池為電源，空氣和超純水為原料。根據系統的技術經濟分析，從財務成本的角度來看，所提出的戰略在氨生產方面具有很大的潛力。該工作對大規模綠色合成氨生產具有重要意義。
圖1. a合成Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V的示意圖。 b Sn@Ti2SnC和Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V的XRD譜圖。c Sn@Ti2SnC MAX的SEM圖像。d SEM, e TEM, f HRTEM, g SAED模式，h SEM和對應元素(Ti, Sn, C, f和O)的映射圖Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V。
圖2. Sn@Ti2CTX/Ti2SnC-V 和 Sn@Ti2SnC 的表面化學環境。a調查掃描光譜。b原子濃度。c Sn3d，d Ti2p，e O1s 和 f C1s 的高分辨 XPS 光譜。g 電子順磁共振波譜。
圖3. a Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-VC-V在Ar-和N2-飽和0.1 M Na2SO4中的LSV曲線。b Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V在N2飽和的0.1 M Na2SO4中不同電位下的CA結果。在選定的電位下NH3產率和FEs。d不同控制條件下電解2h后的電解液NH3產率及相應的紫外-可見吸收光譜(見圖)。e在-0.4 V(相對于RHE)下，在N2和Ar飽和的電解液中交替循環2 h，分別得到Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V的NH3產率和FEs。f電解液在瓦特和克里斯普法確定的選定電位下進行2小時ENRR測試后的紫外可見吸收光譜。附圖為該指示劑與N2H4·H2O的顯色反應。在−0.4 V(相對于RHE)下，Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V在不同電解質中的NH3產率和FEs。不同Sn和mxene基ENRR催化劑的NH3產率和FE圖[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12]。i在相應電位下，在N2飽和的0.1 M Na2SO4電解液中Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V、Sn@Ti2SnC和CC的NH3產率和fe。
圖4. a Cdl, b EIS, c Sn@Ti2SnC/CC和Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V /CC的水滴接觸角測量。d Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V循環試驗及每次循環后相應的NH3產率和FEs。e Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V /CC在−0.4 V(相對于RHE)下的計時電流測試(附圖)顯示了耐久性測試前后18 h的FEs和NH3產率。電催化18 h后Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V /CC的SEM、geds、h TEM及相應的HRTEM圖像(插圖)。
圖5. a在n2飽和的0.1 M Na2SO4中，以0 V電勢開/關150w Xe光照射Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V光電流響應。b Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V在明暗條件下的EIS。c不同電勢下的計時安培測量結果。d雙電極構型下電解液ENRR 2h后的紫外可見吸收光譜及Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V在不同電位下對應的e NH3產率和FEs。f PV-EC系統實景圖。g在1.8 V太陽下反應2h后的紫外可見光譜和NH3產率(星位)。技術經濟核算與分析。h可再生NH3最低銷售價格的成本細目。
相關科研成果由遼寧大學Ying Sun, 北京化工大學Jieshan Qiu，皇家墨爾本理工大學Tianyi Ma等人于2024年發表在Nano-Micro Letters（https://doi.org/10.1007/s40820-023-01303-2）上。原文：Enhancing Green Ammonia Electrosynthesis Through Tuning Sn Vacancies in Sn-Based MXene/MAX Hybrids
原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-023-01303-2
轉自《石墨烯研究》公眾號
