在温和的条件下将N₂电化学还原为氨（NH₃），为能量转换提供了一种独特的方法。电化学氮还原反应（NRR）面临的一个重大挑战是设计兼具高催化活性和选择性的高性能电催化剂。在NRR工艺中，最重要的三个步骤是N₂吸附、N₂活化和NH₃解吸。对过渡金属掺杂的MoS₂的密度泛函理论（DFT）计算研究表明，对于非贵金属V作为杂原子掺杂剂，Fe作为次优掺杂元素，N₂H*物种的吸附能（即火山活性曲线的描述符）具有最优性。

基于此，北京工业大学孙再成教授，Li An，苏州大学康振辉教授报道了选择MoS₂作为NRR电催化剂，通过掺杂过渡金属（V或Fe）来调节催化剂的表面电子态，从而揭示整个电催化NRR过程中N₂吸附、N₂活化和NH₃解吸之间的关系。

文章要点

1）对于Fe掺杂的MoS₂（MoS₂-Fe），电催化剂而言，−0.35 V（vs. RHE）下的氨产率达到20.11 μg·h⁻¹·mg_cat.⁻¹。对于MoS₂和V掺杂的MoS₂ （MoS₂-V）电催化剂而言，其分别在-0.45 V和−0.55 V（vs. RHE）的氨产率分别为13.61和10.33 μg·h⁻¹·mg_cat.⁻¹。

2）研究发现，掺杂增加了电催化剂对N₂的吸附。密度泛函计算表明，MoS₂-V更有利于N₂的吸附和加氢，NH₃（NNH₃*→N*+NH₃）的解吸成为NRR过程的限制步骤。线性扫描伏安法表明，NRR的过电位顺序为MoS₂-Fe < MoS₂ < MoS₂-V。此外，研究人员利用原位瞬态光电压揭示了电子从催化剂到吸附的N₂分子的独特转移过程。

因此，在N₂吸附、N₂活化和NH₃解吸之间达到适当的平衡，有望获得高效的NRR电催化剂。

参考文献

Lijuan Niu, et al, Tuning the performance of nitrogen reduction reaction by balancing the reactivity of N₂ and the desorption of NH₃,  Nano Res., 2021

DOI：10.1007/s12274-021-3348-5

https://doi.org/10.1007/s12274-021-3348-5