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研究内容

电催化氮还原反应（ENRR）已成为在环境条件下合成绿色氨（NH3）的一种很有前途的方法。钨（W）已被发现是最有效的ENRR催化剂之一，中间体的质子化是速率决定步骤（RDS）。增强中间体的吸附对于增加中间体的质子化从而提高催化剂的整体性能至关重要。

北京化工大学严乙铭教授、杨志宇博士和新南威尔士大学谢江舟成功地在WS2-WO3异质结构中构建了一个强界面电场，通过提高W的d带中心来增强中间体的吸附，从而加速了ENRR动力学。结果显示，WS2-WO3表现出62.38 μg h-1 mgcat-1的高NH3产率和24.24%的法拉第效率（FE）。相关工作以“Optimizing Electrocatalytic Nitrogen Reduction via Interfacial Electric Field Modulation: Elevating d-Band Center in WS2-WO3 for Enhanced Intermediate Adsorption”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点

要点1.作者在WS2-WO3中构建了一个强界面电场，通过提高W的d带中心，从而加强中间体的吸附，从而加速了ENRR动力学。开尔文探针力显微镜（KPFM）和ζ电位测量进一步证明WS2-WO3中形成了强界面电场。

要点2.WS2-WO3表现出62.38 μg h-1 mgcat-1的高NH3产率和24.24%的法拉第效率（FE）。

要点3.原位表征和理论计算表明，WS2-WO3中的强界面电场使W的d带中心向费米能级上移，导致-NH2和-NH中间体在催化剂表面的吸附增强。

该研究为界面电场和d带中心之间的关系提供了新的见解，并为增强ENRR过程中中间体的吸附提供了一种很有前途的策略。

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研究图文

图1.（a）具有不同的界面电场强度和活性W位点的d带中心（εd）的WS2-WO3的PDOS。（b）WS2-WO3中εd值与界面电场强度的关系。（c）WS2-WO3中ICOHP值与界面电场强度的关系。（d）WS2、WO3和WS2-WO3的WF。（e）WS2-WO3的静电电位剖面。（f）WS2-WO3的DCD。（g）WS2-WO3沿z方向的平面平均电荷密度差。（h）WS2-WO3的ELF。（i）WS2-WO3异质结构中界面电荷转移过程的示意图。

图2.（a）WS2-WO3合成示意图。（b）WS2-WO3的TEM。（c）（b）中所选区域的HRTEM。（d）（c）中白色矩形所示区域的放大图。（e）WS2-WO3的HAADFSTM。（f）由（e）中的白色矩形指示的区域f的FFT。（g）由（e）中的白色矩形指示的区域g的FFT。（h）WS2-WO3的HAADF。

图3. WS2和WO3的（a）Mott-Schottky图和（b）Kubelka-Munk图。（c）WS2和WO3的电子能带结构。（d）UPS获得的WS2、WO3和WS2-WO3的二次电子截止边缘。（e）WS2、WO3和WS2-WO3的ζ电位。（f）WS2、WO3和WS2-WO3的表面界面电场强度分布。（g-i）WS2、WO3和WS2-WO3的3D表面电势分布和对应的线。

图4.（a）WS2-WO3在0.1 M Ar饱和和N2饱和的Li2SO4中的LSV。（b）WS2-WO3在-0.4 V vs RHE和开路电位下的电压计时电流曲线。（c）用瓦特法和克里斯普法研究了电解质的紫外-可见吸收光谱。（d）WS2、WO3、WS2和WO3以及WS2-WO3的NH3产量。（e）WS2、WO3、WS2和WO3以及WS2-WO3的法拉第效率。（f）14N2和15N2气体供给的WS2-WO3的1H NMR光谱。（g）WS2、WO3和WS2-WO3在0.1 M Li2SO4电解质中的Cdl测量。（h）WS2、WO3和WS2-WO3在0.1 M Li2SO4电解质中的奈奎斯特图。

图5.（a）WS2、WO3和WS2-WO3分别用于活性W位点的PDOS。（b）WS2-WO3在0.1 M Li2SO4中，-0.4 V下的原位拉曼光谱。（c）WS2-WO3的原位FTIR。（d-f）WS2、WO3和WS2-WO3的pCOHP。（g）活性中间体的计算吸附能。（h）*NH和（i）*NH2中间体在WS2、WO3和WS2-WO3上的DOS。

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文献详情

Optimizing Electrocatalytic Nitrogen Reduction via Interfacial Electric Field Modulation: Elevating d-Band Center in WS 2 -WO 3 for Enhanced Intermediate Adsorption

Xiaoxuan Wang, Shuyuan Li, Zhi Yuan, Yanfei Sun, Zheng Tang, Xueying Gao, Huiying Zhang, Jingxian Li, Shiyu Wang, Dongchun Yang, Jiangzhou Xie,* Zhiyu Yang,* Yi-Ming Yan*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202303794

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