Исследователи из Бэйханского университета в Пекине (КНР) создали высокоэффективные электрокатализаторы реакции восстановления азота до аммиака, а также проложили новый путь в применении многообещающего семейства двумерных боридов переходных металлов. Об этом сообщает научный портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Электрокаталитическая реакция восстановления азота (NRR) в настоящее время сдерживается слабой кинетикой реакции и плохой селективностью из-за сложностей с активацией инертных межатомных тройных связей азота. В итоге по эффективности этот процесс заметно уступает конкурирующей реакции выделения водорода.
Чтобы разработать электрокатализаторы с высокой активностью, селективностью и стабильностью, исследователи в Китае нацелились на новый двумерный материал на основе семейства двумерных боридов переходных металлов, который получил название «гексагональный MBene».
Жимей Сунь, профессор Школы материаловедения и инженерии Бэйханского университета, напомнила, что исследовательская группа под его руководством впервые представила MBene в 2017 году.
«До сих пор материалы на основе MBene широко изучались в качестве катализаторов или субстратов различных типов реакций. Однако исследование характеристик MBene в основном было сосредоточено на реакциях с орторомбической структурой, в то время как исследований по применению гексагональных MBene в качестве электрокатализаторов было совсем немного», – отметила она.
Сунь также пояснила, что MBene в качестве катализаторов электролиза имеют несколько существенных преимуществ, таких как отличная электропроводность, механические и электронные свойства. В частности, некоторые исследователи предсказали, что некоторые типы материалов MBene с гексагональными фазами будут более стабильными, чем соответствующие им орторомбические фазы.
Например, материалы на основе борида циркония (Zr2B2) демонстрируют высокую теоретическую емкость и низкие энергетические барьеры миграции для ионов лития, что обещает большие перспективы этих материалов для электрохимического хранения и преобразования энергии. Кроме того, гексагональные материалы на основе Zr2B2 и Hf2B2 (борида гафния) могут расслаиваться, сохраняя высокую динамическую и термическую стабильность.
Однако, что касается электрокатализаторов, отсутствие активных и эффективных центров заряда является серьезной проблемой, что затрудняет активацию реагентов. Среди различных модифицированных платформ беспрецедентную возможность для разработки электрокатализаторов предоставляют одноатомные катализаторы, которые обычно обладают повышенной реакционной способностью и высокой селективностью по отношению к конкурентным продуктам.
В частности, в исследовании ученых Бэйханского университета было продемонстрировано, что гексагональные MBene обладают превосходными физическими и химическими характеристиками, которые весьма желательны в качестве субстратов для одноатомных катализаторов.
Чтобы изучить потенциальное применение гексагональных MBene в качестве электрокатализаторов NRR, Жимей Сунь и ее научная группа систематически исследовала электрокаталитические характеристики NRR для ряда атомов переходных металлов, встроенных в дефектные гексагональные нанолисты на основе MBene, и определила, что вариант Zr(Hf)2B2O2 способен стать наилучшей платформой для электрокаталитического NRR.
«Происхождение высокой активности объясняется синергетическим эффектом одиночного атома и атомов переходных металлов в субстрате. Дополнительный эффект также дал предложенный дескриптор состава на основе присущих катализаторам характеристик (количество валентных электронов), что помогает лучше спрогнозировать каталитическую эффективность», – отметила профессор Сунь.