深圳先進院成功開發(fā)面向高效固氮的黑磷光電極

近日，中國科學院深圳先進技術研究院材料所（籌）材料界面研究中心王佳宏、喻學鋒等在常溫常壓高效固氮領域取得新進展，開發(fā)出具有優(yōu)異的光電協(xié)同固氮合成氨性能的黑磷光電極。相關工作以Photoelectrochemical Synthesis of Ammonia with Black Phosphorus（《黑磷的光電化學合成氨研究》）為題發(fā)表于《先進功能材料》（Advanced Function Materials，DOI:10.1002/adfm.202002731），并被選為雜志封底故事。副研究員王佳宏和研究員喻學鋒是該文通訊作者，助理研究員劉丹妮是該文第一作者。

氨是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的化學原料，也是一種新型的富氫能源載體。目前氨的合成主要通過Haber-Bosch法在高溫高壓下(350-550℃,150-350 atm)進行，耗能較高并伴隨著大量的溫室氣體排放。因此，綠色環(huán)保的以氮氣和水為原料的常溫常壓固氮合成氨技術獲得了廣泛關注。融合了電催化和光催化過程的光電化學技術則為常溫常壓固氮合成氨提供一個更加高效的技術平臺。黑磷作為一種二維直接帶隙半導體，具有光響應范圍廣、載流子遷移率高、邊緣活性位點豐富、和氫吸附較弱等眾多優(yōu)點，在光電協(xié)同固氮合成氨方面展現(xiàn)出極大的潛力。

在本項研究中，課題組將電化學插層剝離得到的高質量黑磷微片通過一種新型的旋涂-快蒸技術在導電基底上組裝成固氮光電極。在氮氣飽和的酸性電解液中，黑磷表現(xiàn)出較好的電催化固氮合成氨性能（24.1 μg/h/mgcat，法拉第效率5.5%）。而在光電協(xié)同作用下，黑磷光電極的產(chǎn)氨率和法拉第效率均有大幅提升，分別達到102.4 μg/h/mgcat和23.3%，是同類非金屬固氮催化劑中獲得的最好紀錄。研究團隊在進一步研究中，通過定量同位素標記驗證了氮元素來源、排除了雜質干擾；通過光電化學Mott-Schottky譜研究證明光激發(fā)提升了黑磷光電極的平帶電位、促進了電極表面的電化學過程；此外，反應系統(tǒng)中的陰極電場和惰性環(huán)境也有助于界面電荷分離，能有效保護黑磷光電極免于氧化，使其在光電固氮過程中呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

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左圖：(a) 黑磷光電極制備流程示意圖，(b) 常溫常壓光電固氮裝置示意圖，(c) 黑磷光電極光電固氮原理示意圖，(d) 不同電位下電催化和光電催化電流密度圖，(e) 黑磷光電固氮性能數(shù)據(jù)圖。右圖：黑磷光電極固氮過程示意圖。

該研究工作揭示了黑磷優(yōu)異的光電固氮性能及機理，拓展了黑磷在異相催化領域的應用；光電協(xié)同催化呈現(xiàn)的一加一大于二的效果也為常溫常壓固氮合成氨的發(fā)展提供了新思路。該研究工作得到國家自然科學基金、中科院青年創(chuàng)新促進會、中科院前沿科學重點研究計劃等的支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202002731