摘要:
NH_(3)是一種重要的化工原料,廣泛應(yīng)用于合成各種化工產(chǎn)品.然而,傳統(tǒng)還原N_(2)制備NH_(3)的Haber-Bosch工藝執(zhí)行條件苛刻,在消耗大量化石能源的同時產(chǎn)生嚴重環(huán)境污染.在環(huán)境條件下的電化學(xué)氮還原反應(yīng)(NRR)是一種最具前景的可持續(xù)、清潔生產(chǎn)NH_(3)的能源技術(shù),其實際應(yīng)用的核心是開發(fā)高效、價格低廉和易制備的NRR電催化劑.過渡金屬二硫族化合物(TMDCs)儲量豐富并且價格低廉,具有多變的晶體結(jié)構(gòu)和相組成、可控的形貌、缺陷設(shè)計可調(diào)節(jié)等特點,呈現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性,是用來替代貴金屬的理想選擇.MoS_(2)和SnS_(2)都可作為電催化劑應(yīng)用于NRR.由于金屬1T-MoS_(2)和1T’-MoS_(2)對與NRR競爭的析氫反應(yīng)(HER)具有極好的電化學(xué)活性,其NRR法拉第效率較低;盡管具有半導(dǎo)體特性的SnS_(2)能夠通過限制表面電子可及性來抑制HER,但是高過電位和較低氨產(chǎn)率仍不能令人滿意.據(jù)報道,在碳布上原位生長Mo摻雜SnS_(2)具有豐富的S空位,由于雜原子摻雜和空位工程形成了Mo-Sn-Sn三元催化位點,其NRR活性顯著增強.因此,為了抑制競爭反應(yīng)以提高NRR的法拉第效率,本文設(shè)計并制備了一種獨特的無機/有機分級納米結(jié)構(gòu)用于電催化NRR.選用一種獨特的聚兩性離子液體,即側(cè)鏈同時含有咪唑鹽和磺酸基團的聚1-乙烯基-3-丙烷磺酸基咪唑鹽(PVIPS),作為界面誘導(dǎo)劑,利用離子交換作用吸附作為前驅(qū)體的Mo7O246?和Sn^(4+),誘導(dǎo)1T’-MoS_(2)和2T型六方SnS_(2)同時生長,形成獨特的MoS_(2)-SnS_(2)異質(zhì)納米片負載于PVIPS功能化的聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)表面.由于各組分的協(xié)同效應(yīng),得到的MoS_(2)-SnS_(2)/PVIPS/PPy/GO納米片表現(xiàn)出較好的NRR活性,其在?0.5 V(vs.RHE)時氨產(chǎn)率最佳,為16.74μg h^(?1)mg^(?1)act.,其相應(yīng)的法拉第效率為4.07%.具有半導(dǎo)體特性的SnS_(2)能夠限制表面電子的可及性,進而抑制1T’-MoS_(2)的HER過程,而具有金屬性的1T’-MoS_(2)可與SnS_(2)形成Mo-Sn-Sn三元催化活性位點,提高SnS2的NRR電催化活性.此外,高分辨透射電鏡,X射線衍射和X射線光電子能譜結(jié)果表明,MoS_(2)-SnS_(2)/PVIPS/PPy/GO在NRR使用前后存在顯著差異,這主要歸因于在NRR過程中MoS_(2)-SnS2異質(zhì)納米片發(fā)生了不可逆的晶體相變.部分1T’-MoS_(2)和SnS_(2)與N_(2)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)形成Mo?N和Sn?N鍵,不可逆地相轉(zhuǎn)變?yōu)镸o_(2)N和SnxNz;部分SnS_(2)由于電化學(xué)體系中電源的還原作用而不可逆地演化為SnS.本文為優(yōu)化TMDCs的制備方法及其電催化活性提供了新的設(shè)計思路.