中国海洋大学Wentai Wang等--用MXene中的TiO2−x修饰铜纳米线用于在真空辅助下加强电催化氮氧化成硝酸盐

电催化氮氧化反应(NOR)绿色合成硝酸盐(NO³⁻)是一种很有前景的人工固氮策略，与传统的Haber-Bosch和Ostwald法合成硝酸盐相比具有很大的优势。但较差的N₂吸收率、N≡N (941 kJ·mol−1)的高键能和竞争性的多电子转移析氧反应(OER)限制了活性和选择性。在此，我们制备了基于MXene的不规则TiO_2−x纳米颗粒锚固铜纳米线(Cu-NWs)电极，实现了高效的电催化氮氧化，其NO^3-产率为62.50 μg·h⁻¹·mg_cat⁻¹，法拉第效率(FE)为22.04%，在真空辅助下显著提高了NO₃^-产率为92.63 μg·h⁻¹·mg_cat⁻¹,FE为40.58%。TiO_2−x/Cu-NWs电极在最佳实验条件下也显示出优异的再现性和稳定性。此外，以TiO_2−x/Cu-NWs为阳极，Zn板为阴极组装了Zn-N₂反应装置，获得了极高的NO₃^-产率(156.25 μg·h⁻¹·mg_cat⁻¹)。硝酸锌电池的开路电压为1.35 V。这项工作为提高环境N₂氧化性能以获得更高的NO₃^-产率提供了新的策略。

         

图1. (a) TiO_2−x纳米颗粒层状MXene的SEM图像，(b)铜纳米线结构，和(c)涂有TiO_2−x纳米颗粒的铜纳米线。(d) Ti、Cu的HRTEM图像和((e)-(g)) EDX元素映射以及两种元素的重叠。(h) TiO_2−x/Cu-NWs的XRD图案。(i) Ti 2p和(j) Cu 2p的高分辨率光谱。

图2.(a)在施加电势从1.56 V到1.96 V的n2饱和和ar饱和0.1 M KOH电解质中TiO2−x/Cu-NWs电极的LSV曲线(插图:NOR反应的电势范围的放大视图)。(b)不同电位时安培曲线。(c)不同电位下的NO3 -产率和FE。(d)可重复性试验。(e)循环稳定性试验。(f)长期稳定性试验。

图3.(a)具有或不具有真空过滤辅助的TiO_2−x/Cu-NWs电极在N₂ -饱和0.1 M KOH电解质中的NOR性能的比较。经真空过滤辅助步骤(b)重复性试验和(c)循环稳定性试验。(d) TiO_2−x/Cu-NWs与报告的催化剂的NOR性能比较。(e) TiO_2−x/Cu-NWs的NOR实验示意图。

         图4. (a)锌-N₂电池和(b)硝酸锌电池的示意图说明。(c) TiO_2−x/Cu-NWs基硝酸锌电池的OCV。(d)电荷试验和NO^3-在不同电流密度下的产率。(e) TiO_2−x/Cu-NWs基硝酸锌电池的恒流充放电循环曲线。(f) LED灯用组装的硝酸锌电池照明。

相关科研成果中国海洋大学化学化工学院Wentai Wang和Qin Li等人于2023年发表在Nano Research（https://doi.org/10.1007/s12274-023-6126-8）上。原文：Copper nanowires decorated with TiO_2−x from MXene for enhanced electrocatalytic nitrogen oxidation into nitrate under vacuum assistance。

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-023-6126-8