氨是制造硝酸、化肥、炸药的重要原料。氨对地球上的生物相当重要，是许多食物和肥料的重要成分。科学家和学者认为当前产氨的主要工艺——哈伯-博世（Haber-Bosch）工艺（N2+3H2→2NH3）是20世纪最重要的技术进步之一，因为它是人们开发的第一个可以大量产氨的工艺。但其苛刻的合成条件需要巨大的能耗。另一方面，硝酸根可以通过电催化方法温和地转化为氨实现氮的循环利用，引起了广泛关注。MXene是一类新型的二维无机类石墨烯材料，主要通过蚀刻三元层状MAX相陶瓷获得。MXene具有比表面积大、表面活性高、易于表面改性等优点，在电催化和光催化领域具有广阔的应用前景，且MXene对NRR反应具有良好的催化性能，因此也是潜在的NRA催化剂。开发MXene基硝酸根还原制氨电催化剂的一大挑战是从庞大的MXene家族中筛选合适的候选材料。

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，筛选了MXene基电化学还原为氨的电催化材料，综合考虑了原始、金属掺杂和官能化的MXene材料，吉布斯自由能图和活化能用于判定反应路径，并通过电荷转移、电子结构分析揭示官能化MXene的NRA活性来源，系统探讨了8种M3C2(M=Ti、V、Cr、Nb、Mo、Zr、Ta、Hf)MXene对硝酸盐还原制氨反应的催化性能，同时讨论了包括基面和截面在内的活性位点。结果表明，MXene的基面是主要的催化表面，NO3-在MXene上更易垂直吸附。对于M3C2 MXene基材料表面的NRA反应，脱氧过程容易发生，加氢过程比较困难，因此加氢过程为速率决定步骤。所有原始状态的M3C2 MXene由于良好的HER性能不适合作NRA催化剂。经过官能化，Ti3C2 MXene及过渡金属掺杂的Ti3C2 MXene可以有效抑制HER，提高催化活性。

本文通过原子尺度计算模拟，从理论视角研究了M3C2 MXene基材料电催化还原硝酸盐制氨的催化性能，经过系统地考虑热力学、反应动力学以及与HER的竞争关系，筛选出含部分氧空位的Ti3C2O2-Ov是一种有效的NRA电催化剂，为高效MXene基硝酸根还原制氨电催化剂的设计提供理论指导。

图1. 催化活性中心及反应路径的判定

参考文献

Tao Hu, Meng Ting Wang, Chun Xian Guo*, and Chang Ming Li*. "Functionalized MXenes for Efficient Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia." Journal of Materials Chemistry A (2022): 2050-7488. 文献链接：https://dx.doi.org/10.1039/d2ta00470d.

作者介绍

胡涛：苏州科技大学材料科学与工程学院讲师，2018年博士毕业于中国科学院金属研究所。研究方向为过渡金属碳/氮化物等低维材料的设计与电催化性能相关的计算研究。发表学术论文20余篇，ESI高被引研究论文1篇。主持国家自然科学基金青年项目1项。

王梦婷：苏州科技大学2020级硕士研究生，研究方向为新型低维功能材料的理论计算和电化学催化研究。曾获“优秀研究生”，“一等奖学金”等荣誉。主持江苏省研究生科研创新实践活动项目1项。

郭春显：苏州科技大学材料科学与工程学院教授，博士毕业于新加坡南洋理工大学。研究以功能结构材料为中心，开展材料、化学、生物领域前沿交叉研究，构筑了系列高效能源器件和超敏传感技术，发表论文 150 余篇，被引用 1.4万余次，申请获批发明专利20余项，主持国家重点研发计划项目课题等国家级项目6项。

李长明：苏州科技大学教授材料科学与工程学院教授，博士毕业于武汉大学。研究方向为绿色能源、生化传感材料与技术，发表论文800余篇，SCI引用4.1万余次，2014年来连续荣获科睿唯安全球交叉学科、爱思唯尔全球材料高被引科学家，申请获批专利250项，承担新加坡、中国等国家和地区多项重大科研项目，获国家科学技术进步二等奖等。

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