博文
澳大利亚马天翼老师：过渡金属三元硼化物首次用于电化学合成氨
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Transition Metal Aluminum Boride as a New Candidate for Ambient-Condition Electrochemical Ammonia Synthesis
Nano-Micro Lett.(2020)12:65 https://doi.org/10.1007/s40820-020-0400-z 本文提出一种新的策略，从材料筛选、结构稳定性等方面入手，基于过渡金属三元层状硼化物，利用其层状结构和主族元素的特点，表现出具有优异的电化学稳定性(经过5次循环，电催化活性保持不变)，在较低应用电势下(-0.05 V versus RHE)表现出较高的氨产量(9.2 μg/h/cm2/mgcat)以及较高的法拉第效率(30.1%)。 研究背景 如图1a和b所示，通过采用Al、Mo和B原料粉在氩气氛围下，1000℃通过长时间的煅烧，成功合成平均长度在10 μm的均匀棒状结构，命名为单晶MoAlB。此外，HADDF-STEM图(图1c和d)和高分辨透射电镜下的SAED图(图1e)表明二维晶体结构模型和图中原子排布吻合，证明三元层状硼化物结构的形成。EDS mapping图(图1f-i)可以清楚观察到Mo、Al和B的信号，表明其在结构中均匀分布。 图1. 单晶MoAlB的(a)SEM图；(b)TEM图；(c，d)HAADF-STEM图；(e)HRTEM对应下的SAED图，(f-i)EDS mapping图。 如图2a所示，XRD图结果表明，由于与标准PDF卡的衍射峰完美地匹配，且获得的晶格参数与文献中结果接近，证明单晶MoAlB结构成功地被形成。此外，利用XPS表征(图2c-d)，其中Mo 3d的两个分峰(Mo 3d5/2 和 Mo 3d3/2)分别表示对应的Mo-Al键和Mo-B键；Al 2p也有两个分峰，其中一个峰代表是Mo-Al-B键，另一个峰代表是Al2O3，Al2O3可能是在单晶MoAlB形成过程中，由于氧的存在，Al被氧化而形成；B 1s只有一个峰，表明没有B的氧化物存在；XPS结果进一步地揭示了单晶MoAlB被成功地合成。 II 单晶MoAlB的电化学性能测试 图3. (a)单晶MoAlB在Ar和N2氛围下测得的LSV图；(b)块状MoAlB和单晶MoAlB在不同应用电位下测得的对应的氨产量图；(c)单晶MoAlB与对比样在N2氛围下测得的LSV图；(d)单晶MoAlB和对比样在-0.05 V versus RHE下测得的对应的氨产量图；(e)单晶MoAlB在不同应用电位下测得的对应的氨产量和法拉第效率图;(g)比较比色法和安敏电极法测得的单晶MoAlB在不同应用电位下对应的氨产量图;(h)比色法测得的氨产量和Watt&Chrisp方法测得的肼含量图；(i)5次循环测得的氨产量和法拉第效率。 III 电催化固氮反应机理的研究 如图4所示，通过机理研究，归功于主族元素外层p轨道与N原子之间具有较强的结合作用，因此Al和B元素的引入，确实提高了其催化的选择性。此外通过TPD实验表明，单晶MoAlB与N2之间吸附主要是通过化学吸附，表明其具有大量的氮的化学吸附位点。通过与Fe2AlB2对比实验，结果表明，其催化活性位点主要发生在Mo原子表面。因此，本工作所合成得到的单晶MoAlB催化剂，基于Mo、Al和B的协同效应，大大实现了抑制电催化固氮过程中析氢反应过程，从而提高其催化氮还原过程的能力。 马天翼 本文通讯作者 澳大利亚纽卡斯尔大学 高级讲师 在J. Am. Chem. Soc., Angew.Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.,Energy Environ. Sci., Chem. Soc. Rev., ACS Catal., J. Mater. Chem. A, Mater. Today, Small, Chem. Eur. J., Chem. Commun., J. Phys. Chem. C等高影响力学术期刊发表论文150余篇，被引次数超过10000，H因子为46。2015年，担任英国皇家化学协会会员。2015年，荣获澳大利亚研究委员会DECRA奖。2017年入职澳大利亚纽卡斯尔大学，作为首席研究员主持多项累计经费100余万澳元的澳大利亚国家项目。目前担任英国皇家化学协会Materials Horizons期刊编委，International Journal of Photoenergy期刊客座编委，Catalysts期刊客座编委，Chemistry – An Asian Journal期刊客座编委，Nano Materials Sciecne期刊客座编委，American Journal of Environmental Sciences期刊主编，Frontiers in Chemistry副主编，Chinese Chemical Letters 青年编委。 付杨 本文第一作者 澳大利亚纽卡斯尔大学 博士 层状结构材料及金属有机骨架材料，特别是二维材料在电化学领域中的应用，主要包括电化学传感器、电化学氮还原等。 在Nano-MicroLett., Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. B, Analyst等学术期刊以第一作者或合作作者发表论文10余篇。2018年获得中国留学基金委攻博资助。作为Carbon和Materials Science&Engineering C等学术期刊审稿人。 撰稿：原文作者 E-mail：editorial_office@nmletters.org
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