以空气为氮源的可再生能源驱动的N₂电还原是实现规模化绿色氨生产的巨大希望。然而，相关的实验室外研究还处于起步阶段。本文通过控制蚀刻Sn@Ti₂SnC MAX相，合成了具有丰富Sn空位的新型Sn基MXene/MAX杂化物Sn@Ti₂CTX/ Ti₂SnC-V，并证明了该杂化物是电催化还原N2的高效电催化剂。由于MXene/MAX异质结构的协同作用，Sn空位的存在和Sn活性位点的高度分散，所得Sn@Ti₂CTX/ Ti₂SnC-V在−0.4 V下的NH₃产率为28.4µg h⁻¹ mg_cat⁻¹，与0.1 M Na₂SO₄中可逆氢电极相比，FE为15.57%，并且具有超长的耐用性。值得注意的是，在自制的模拟装置中，该催化剂的NH₃产率为10.53µg h⁻¹ mg⁻¹，以商用电化学光伏电池为电源，空气和超纯水为原料。根据系统的技术经济分析，从财务成本的角度来看，所提出的战略在氨生产方面具有很大的潜力。该工作对大规模绿色合成氨生产具有重要意义。

 
图1. a合成Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V的示意图。 b Sn@Ti2SnC和Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V的XRD谱图。c Sn@Ti2SnC MAX的SEM图像。d SEM, e TEM, f HRTEM, g SAED模式，h SEM和对应元素(Ti, Sn, C, f和O)的映射图Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V。

 
图2. Sn@Ti2CTX/Ti2SnC-V 和 Sn@Ti2SnC 的表面化学环境。a调查扫描光谱。b原子浓度。c Sn3d，d Ti2p，e O1s 和 f C1s 的高分辨 XPS 光谱。g 电子顺磁共振波谱。

 
图3. a Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-VC-V在Ar-和N2-饱和0.1 M Na2SO4中的LSV曲线。b Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V在N2饱和的0.1 M Na2SO4中不同电位下的CA结果。在选定的电位下NH3产率和FEs。d不同控制条件下电解2h后的电解液NH3产率及相应的紫外-可见吸收光谱(见图)。e在-0.4 V(相对于RHE)下，在N2和Ar饱和的电解液中交替循环2 h，分别得到Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V的NH3产率和FEs。f电解液在瓦特和克里斯普法确定的选定电位下进行2小时ENRR测试后的紫外可见吸收光谱。附图为该指示剂与N2H4·H2O的显色反应。在−0.4 V(相对于RHE)下，Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V在不同电解质中的NH3产率和FEs。不同Sn和mxene基ENRR催化剂的NH3产率和FE图[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12]。i在相应电位下，在N2饱和的0.1 M Na2SO4电解液中Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V、Sn@Ti2SnC和CC的NH3产率和fe。

 
图4. a Cdl, b EIS, c Sn@Ti2SnC/CC和Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V /CC的水滴接触角测量。d Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V循环试验及每次循环后相应的NH3产率和FEs。e Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V /CC在−0.4 V(相对于RHE)下的计时电流测试(附图)显示了耐久性测试前后18 h的FEs和NH3产率。电催化18 h后Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V /CC的SEM、geds、h TEM及相应的HRTEM图像(插图)。

 
图5. a在n2饱和的0.1 M Na2SO4中，以0 V电势开/关150w Xe光照射Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V光电流响应。b Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V在明暗条件下的EIS。c不同电势下的计时安培测量结果。d双电极构型下电解液ENRR 2h后的紫外可见吸收光谱及Sn@Ti2CTX/ Ti2SnC-V在不同电位下对应的e NH3产率和FEs。f PV-EC系统实景图。g在1.8 V太阳下反应2h后的紫外可见光谱和NH3产率(星位)。技术经济核算与分析。h可再生NH3最低销售价格的成本细目。
  
       相关科研成果由辽宁大学Ying Sun, 北京化工大学Jieshan Qiu，皇家墨尔本理工大学Tianyi Ma等人于2024年发表在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
原文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-023-01303-2

转自《石墨烯研究》公众号