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Angew. Chem. :Mn激活双相金属氮化物界面电子再分布实现耦合肼降解高效产氢

氢凭借其高能量密度(42 MJ kg-1)和环境友好的特性,在能源转型过程中发挥着至关重要的作用。然而,由于严重依赖储量稀少且寿命有限的贵金属以及阳极析氧反应的缓慢热力学过程,导致电解水产氢成本高、能量转换效率低,严重阻碍了其商业化进程。肼在火箭推进剂和药品生产等领域被广泛使用,但含肼废水严重威胁环境与人体健康。因此,电催化耦合肼氧化反应HzOR)和氢气析出反应(HER)不仅可以降低能耗,而且还可以实现含肼废水的无害化处理。


过渡金属氮化物因特殊的电子结构表现出类贵金属性质,近年来构筑异质界面已成为设计高性能非贵金属催化剂的有效策略之一,但不同界面之间高的晶格失配率阻碍了界面处有效的电子转移。构建具有高度晶格匹配的双相纳米材料界面可以显著提高电子传输效率。


鉴于此,大连理工大学杨明辉教授团队设计了高度晶格匹配的Ni3N-Co3N异质界面,并引入Mn充当电场引擎进一步激活了界面处的电子重排,得到的双功能Mn@Ni3N-Co3N催化剂实现了高效节能产氢。







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Ni3N和Co3N属于同一六方晶系,具有相似的单胞形状和晶格参数,这种结构相似性为构建高度匹配的异质结构奠定了基础。Ni3N与Co3N的晶面间距非常相似,失配系数仅为0.49 %。

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紫外光电子能谱(UPS)与密度泛函理论(DFT)计算证实Mn激活了Ni3N-Co3N界面处的电子重排。这种电子重新分布类似于Mn作为引擎,激活了界面处连续的电子流,极大的提高了电子传输效率。

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Mn@Ni3N-Co3N/NF电催化剂在整体肼裂解(OHzS)反应上实现了优异的性能,仅需要0.49 V电池电压即可提供500 mA cm-2的工业级电流密度并无衰减运行。超过了最近报道的先进OHzS系统。与传统的电解水相比,能量消耗降低53.3 %。这项工作有利于促进金属氮化物基电催化剂的发展,在低能耗制氢和环境保护方面具有广阔的应用前景。

文信息

Activating Interfacial Electron Redistribution in Lattice-Matched Biphasic Ni3N-Co3N for Energy-Efficient Electrocatalytic Hydrogen Production via Coupled Hydrazine Degradation

Xiaoli Wang, Huashuai Hu, Xiaohui Yan, Zhaorui Zhang, Prof. Minghui Yang

文章的第一作者是大连理工大学硕士研究生王晓丽和博士生扈华帅。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202401364




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