氨是制造硝酸、化肥、炸藥的重要原料。氨對地球上的生物相當重要，是許多食物和肥料的重要成分。科學家和學者認為當前産氨的主要工藝——哈伯-博世（Haber-Bosch）工藝（N2+3H2→2NH3）是20世紀最重要的技術進步之一，因為它是人們開發的第一個可以大量産氨的工藝。但其苛刻的合成條件需要巨大的能耗。另一方面，硝酸根可以通過電催化方法溫和地轉化為氨實現氮的循環利用，引起了廣泛關注。MXene是一類新型的二維無機類石墨烯材料，主要通過蝕刻三元層狀MAX相陶瓷獲得。MXene具有比表面積大、表面活性高、易于表面改性等優點，在電催化和光催化領域具有廣闊的應用前景，且MXene對NRR反應具有良好的催化性能，因此也是潛在的NRA催化劑。開發MXene基硝酸根還原制氨電催化劑的一大挑戰是從龐大的MXene家族中篩選合适的候選材料。

本文利用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，篩選了MXene基電化學還原為氨的電催化材料，綜合考慮了原始、金屬摻雜和官能化的MXene材料，吉布斯自由能圖和活化能用于判定反應路徑，并通過電荷轉移、電子結構分析揭示官能化MXene的NRA活性來源，系統探讨了8種M3C2(M=Ti、V、Cr、Nb、Mo、Zr、Ta、Hf)MXene對硝酸鹽還原制氨反應的催化性能，同時讨論了包括基面和截面在内的活性位點。結果表明，MXene的基面是主要的催化表面，NO3-在MXene上更易垂直吸附。對于M3C2 MXene基材料表面的NRA反應，脫氧過程容易發生，加氫過程比較困難，因此加氫過程為速率決定步驟。所有原始狀态的M3C2 MXene由于良好的HER性能不适合作NRA催化劑。經過官能化，Ti3C2 MXene及過渡金屬摻雜的Ti3C2 MXene可以有效抑制HER，提高催化活性。

本文通過原子尺度計算模拟，從理論視角研究了M3C2 MXene基材料電催化還原硝酸鹽制氨的催化性能，經過系統地考慮熱力學、反應動力學以及與HER的競争關系，篩選出含部分氧空位的Ti3C2O2-Ov是一種有效的NRA電催化劑，為高效MXene基硝酸根還原制氨電催化劑的設計提供理論指導。

圖1. 催化活性中心及反應路徑的判定

參考文獻

Tao Hu, Meng Ting Wang, Chun Xian Guo*, and Chang Ming Li*. "Functionalized MXenes for Efficient Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia." Journal of Materials Chemistry A (2022): 2050-7488. 文獻鍊接：https://dx.doi.org/10.1039/d2ta00470d.

作者介紹

胡濤：利记官方网站利记SBOBET官网APP講師，2018年博士畢業于中國科學院金屬研究所。研究方向為過渡金屬碳/氮化物等低維材料的設計與電催化性能相關的計算研究。發表學術論文20餘篇，ESI高被引研究論文1篇。主持國家自然科學基金青年項目1項。

王夢婷：利记官方网站2020級碩士研究生，研究方向為新型低維功能材料的理論計算和電化學催化研究。曾獲“優秀研究生”，“一等獎學金”等榮譽。主持江蘇省研究生科研創新實踐活動項目1項。

郭春顯：利记官方网站利记SBOBET官网APP教授，博士畢業于新加坡南洋理工大學。研究以功能結構材料為中心，開展材料、化學、生物領域前沿交叉研究，構築了系列高效能源器件和超敏傳感技術，發表論文 150 餘篇，被引用 1.4萬餘次，申請獲批發明專利20餘項，主持國家重點研發計劃項目課題等國家級項目6項。

李長明：利记官方网站教授利记SBOBET官网APP教授，博士畢業于武漢大學。研究方向為綠色能源、生化傳感材料與技術，發表論文800餘篇，SCI引用4.1萬餘次，2014年來連續榮獲科睿唯安全球交叉學科、愛思唯爾全球材料高被引科學家，申請獲批專利250項，承擔新加坡、中國等國家和地區多項重大科研項目，獲國家科學技術進步二等獎等。

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