顆粒在線訊：作為一種新型二維過渡金屬碳化物或氮化物材料，二維過渡金屬碳（氮）化物（MXene），具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、豐富表面官能團(tuán)化學(xué)性質(zhì)、可調(diào)的層狀結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，近年來在能源、光電催化、氣體分離等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。MXene二維材料層狀結(jié)構(gòu)間存在范德華作用力和氫鍵相互作用力，使其易堆疊和團(tuán)聚，降低了表面活性位點(diǎn)的暴露、電子傳遞和傳質(zhì)過程，從而限制了其在電化學(xué)催化等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。解決MXene易堆疊、活性位點(diǎn)暴露不足等問題，改善MXene基納米結(jié)構(gòu)催化劑的電化學(xué)氮還原活性，仍存在較大挑戰(zhàn)。 

　　近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所低碳催化轉(zhuǎn)化研究組開發(fā)出一種金屬離子誘導(dǎo)MXene凝膠化-硫化通用策略，成功制備硫摻雜MXene負(fù)載金屬硫化物納米顆粒三維（3D）氣凝膠結(jié)構(gòu)催化劑，實(shí)現(xiàn)電催化氮還原合成氨活性的極大提升。 

　　MXene表面具有大量的-OH和-F官能團(tuán)，科研人員通過引入帶正電荷的金屬陽離子（Fe2+、Co2+、Ni2+），破壞了MXene層與層之間的靜電斥力，使得MXene快速凝膠化，通過冷凍干燥，獲得3D多孔MXene氣凝膠（M2+/MAs）；對M2+/MAs進(jìn)一步硫化熱解處理，獲得了硫摻雜MXene負(fù)載金屬硫化物納米顆粒3D氣凝膠納米材料（MS@S-MAs）。其中，金屬陽離子不僅作為交聯(lián)劑促使MXene凝膠化，還可通過硫化形成金屬硫化物納米顆粒作為氮?dú)夥肿拥奈交罨稽c(diǎn)。

　　相比于非氣凝膠納米材料CoS/S-MSs，金屬離子誘導(dǎo)MXene凝膠化-硫化策略制備得到的3D多孔氣凝膠納米催化劑CoS@S-MAs，具有大的比表面積，豐富的3D多級孔結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅有助于暴露更多的活性位點(diǎn)，增加氮?dú)夥肿拥奈交罨^程，還有利于電解液的流動，加快物質(zhì)傳遞過程。此外，硫化鈷納米顆粒與硫摻雜MXene之間形成大量的具有強(qiáng)相互作用的界面結(jié)構(gòu)，不僅有助于抑制MXene的自堆疊現(xiàn)象，還利于界面處的電子轉(zhuǎn)移和物質(zhì)傳遞，從而加速了電化學(xué)氮還原反應(yīng)動力學(xué)過程。

　　在室溫常壓溫和條件下，該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)氮還原反應(yīng)催化活性，在電位為-0.15 V （vs. RHE）, 實(shí)現(xiàn)了12.4 μg·h-1mg-1cat 產(chǎn)氨速率和27.05%法拉第效率。該活性數(shù)值超過了大多數(shù)已報(bào)道的鈷基納米催化劑。此外，該催化劑具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，經(jīng)過50小時(shí)測試后電化學(xué)活性未見明顯衰退。該策略具有較強(qiáng)的普適性，可適用于制備三維氣凝膠結(jié)構(gòu)催化劑，如FeS@S-MAs、CuS@S-MAs、NiS@S-MAs，且均具有較大的比表面積、3D多孔結(jié)構(gòu)和豐富的界面結(jié)構(gòu)。相比于非氣凝膠結(jié)構(gòu)催化劑，也均表現(xiàn)出更加優(yōu)異的電化學(xué)氮還原活性。

　　該研究為合成MXene基3D多孔氣凝膠結(jié)構(gòu)納米材料提供了新策略，為探索在能源催化轉(zhuǎn)化、氣體分離和光電催化轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域的研究提供了新思路。

　　相關(guān)成果發(fā)表在Small上。研究得到國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、英國皇家學(xué)會“牛頓高級學(xué)者”基金等項(xiàng)目的支持。

CoS@S-MAs納米催化劑制備流程圖以及電鏡表征圖