德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华团队：三维多孔碳负载碳化钼助力温和条件氮还原

摘要

德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华团队将碳化钼纳米颗粒原位负载在三维超薄多孔碳网络上，实现了高效稳定的固氮电催化。三维多孔碳负载碳化钼（Mo₂C@3DUM-C）电催化剂展现出高法拉第效率（9.5%）和高产率（30.4 μg h^-1 mg^-1）。

在人类化工史上，对固氮反应的人工合成探索可谓是百年难题。农业氮肥为人类文明做出不可磨灭的贡献，但目前产业化的Harber-Bosch固氮途径是一个高耗能（高温高压）、高排放（产生温室气体）过程。电催化固氮反应因此成为降低甚至替代Harber-Bosch过程的有力手段。

然而，目前电催化产氨的产率和法拉第效率依然十分有限，贵金属固氮催化剂（Au等）作为一类高效电催化剂曾一度广受关注，但因其稀缺性与高成本等问题，研究重点开始转向非贵金属催化剂。无机钼基电催化剂因其高催化活性、低成本，有望成为新一代高效固氮电催化剂，然而他们的稳定性在酸性环境依然受到限制。 

为解决上述问题，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华团队将碳化钼纳米颗粒原位负载在三维超薄多孔碳网络上，实现了高效稳定的固氮电催化。由于三维超薄大孔碳片网络的高比表面积和结构稳定性，以及碳化钼（Mo₂C）的高固氮活性和酸性稳定性, 三维多孔碳负载碳化钼（Mo₂C@3DUM-C）电催化剂展现出高法拉第效率（9.5%）和高产率（30.4 μg h^-1mg^-1）。进一步的电化学阻抗谱和双电层电容测试表明，相对于二维碳片作为导电载体，三维碳片网络具有更高的电荷传输性能和更大的电化学活性面积。

图1 三维多孔碳负载碳化钼作为固氮电催化剂的示意图。

此外，三维多孔碳负载的碳化钼催化剂，在电流密度和氨产量上还展现出极高的稳定性。这一方面归因于碳化钼在酸性介质中极高的电化学稳定性, 另一方面，三维多孔碳结构可以有效阻碍催化剂颗粒的聚集，保持了稳定的电化学活性面积。

三维多孔碳负载的碳化钼电催化剂的高活性和稳定性为合成氨点催化剂的设计提供了新的思路，同时三维多孔碳体系有望成为新一代可持续能量转换和储存系统的有力候选者。

该成果以“Mo₂C@3D ultrathin macroporous carbon realizing efficient and stable nitrogen fixation”为题，最新在线发表于Sci. China Chem. (doi: 10.1007/s11426-020-9740-8)。

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通讯作者简介

余桂华，美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系和机械系终身教授，英国皇家化学会会士, 物理学会会士，现任ACS Mater. Lett.副主编，Sci. China Chem.编委。2003年于中国科学技术大学化学系获得学士学位，2009年于美国哈佛大学获博士学位，2012年在美国斯坦福大学进行博士后研究，2012年加入美国德克萨斯大学奥斯汀分校，目前已在包括Science、Nature等国际知名期刊上发表重要论文170余篇，被引2.8万余次(H-index 85)，其中四十多篇论文被国际著名期刊选为非常重要论文或热点论文。曾获：国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）高分子科学杰出创新奖(2020)，IUPAC100周年青年化学家奖(2019), 美国能源部杰出青年科学家奖(2018), 美国化学会杰出青年科学家奖 (2018), 美国化学会能源科技新兴领袖奖(2018), 美国德瑞福斯杰出教师-学者奖Camille Dreyfus Teacher-Scholar (2017), 斯隆研究奖Sloan Research Fellow (2016), 美国麻省理工（MIT）评选的全球35位杰出青年创新人物之一(2014), IUPAC国际青年化学家奖(2010) 。

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