近日，大連理工大學(xué)楊明輝教授團(tuán)隊構(gòu)建了高度晶格匹配結(jié)構(gòu)的雙相金屬氮化物材料，并通過耦合肼降解來高效生產(chǎn)氫氣，這有利于促進(jìn)金屬氮化物基電催化劑的發(fā)展，在低能耗制氫和環(huán)境保護(hù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》。
通過電解水開發(fā)高純度、高能量密度的綠氫具有巨大的前景，但嚴(yán)重依賴昂貴且壽命有限的貴金屬以及陽極析氧反應(yīng)的緩慢熱力學(xué)過程，導(dǎo)致電解水產(chǎn)氫成本高，阻礙了其商業(yè)化進(jìn)程。
本工作中，針對異質(zhì)界面能量傳輸效率低的問題，團(tuán)隊提出了新的調(diào)控策略，設(shè)置富電子的氮化鎳（Ni3N）和缺電子的氮化鈷（Co3N）之間形成增強(qiáng)的局域電場，然后引入元素錳作為電場引擎，以此進(jìn)一步激活電子在雙相界面的重新分布。團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)Ni3N和Co3N屬于同一六方晶系，具有相似的單胞形狀和晶格參數(shù)，晶面間距非常相似，將這兩種晶格匹配的氮化物人為構(gòu)筑在一起可以構(gòu)建高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
優(yōu)異的電子傳輸效率對材料的電催化性能至關(guān)重要。為了探究兩相界面的電子轉(zhuǎn)移情況，團(tuán)隊利用紫外光電子能譜與密度泛函理論計算，證實(shí)錳的引入激活了Ni3N-Co3N界面處的電子重排。這種電子重新分布類似于錳作為引擎，激活了界面處連續(xù)的電子流，極大的提高了電子傳輸效率。
引入錳元素示意圖。大連理工大學(xué)供圖
Mn@Ni3N-Co3N/NF電催化劑在整體肼裂解（OHzS）反應(yīng)上實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的性能，僅需要0.49 V電池電壓即可提供500 mA cm-2的工業(yè)級電流密度，并無衰減運(yùn)行，超過了最近報道的先進(jìn)OHzS系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的電解水相比，降低電池電壓1.95 V，能量消耗降低53.3 %。
并且，團(tuán)隊設(shè)計的泡沫鎳上原位生長的雙相金屬氮化物納米陣列對析氫反應(yīng)和肼氧化反應(yīng)有協(xié)同催化作用，在肼降解輔助制氫方面表現(xiàn)出色。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/ange.202401364
