近期，固体所液相激光加工与制备实验室构筑了具有丰富钯-氧化钯界面的异质结结构，且在金属-氧化物界面电催化固氮研究方面取得进展。相关结果以全文形式发表在Journal of Materials Chemistry A (DOI: 10.1039/c9ta02045d)杂志上。
氨是一种重要的工业原料，在化工、轻工、化肥和制药等领域具有广泛的应用。哈珀法（Haber-Bosch）（一种通过氮气及氢气产生氨气的方法）是当前大规模工业合成氨的主要方式，但存在反应条件苛刻、资源消耗大和污染严重的缺点，因此从资源与环境可持续发展的角度出发，实现温和条件下氨的合成具有重要的实用价值和意义。电催化氮还原反应（NRR）是近年来发展迅猛的常温下实现合成氨的主要方式之一。电催化剂是NRR过程高效合成氨的关键，它不仅需要克服氮气缓慢的动力学吸附过程实现氮气分子活化，还需要考虑竞争反应—氢还原反应（HER）对NRR过程的影响。研究表明：金属-氧化物界面之间的相互作用在为表面N2分子提供稳定、高效活化场所的同时，还可以有效抑制HER副反应的发生，从而提升NRR反应的法拉第效率。以钯-氧化钯（Pd-PdO）异质结为例，复合体系中的PdO相较于Pd更易吸附表面质子H形成可活化氮气的稳定相—α-PdH，因此，通过界面处Pd、PdO的协同作用能够极大地提高催化剂的电催化合成氨效率。
鉴于此，中科院固体物理研究所液相激光加工与制备实验室通过Nd：YAG激光辐照PdO负载的碳纳米管，利用激光诱导的光热效应还原PdO生成Pd，通过控制激光束能量和辐照时间，构筑了具有丰富Pd-PdO界面的异质结结构。在15 mJ脉冲激光能量条件下，355nm激光辐照10 min形成的PdO/Pd/CNTs异质结表现出最佳的NRR性能，其氨产率为18.2 μg mg-1h-1，且在碱性电解质中的法拉第效率达到11.5%。激光辐照诱导产生的PdO-Pd界面值是影响CNTs负载PdO/Pd异质结NRR性能的关键，这是由于Pd-PdO界面一侧的Pd可以有效吸附N2分子形成Pd-N2键，而另一侧的PdO则可以传送质子H形成α-PdH并破坏N≡N，PdO和Pd之间的协同效应有效缩短了质子传递距离，降低了化学反应过电势，其电催化氮气转化效率相较于单一的Pd和PdO催化剂得到了有效提高。本研究工作是对基于液相激光技术合成高性能光、电催化剂的进一步拓展，对研究金属-氧化物界面增强NRR性能具有重要的参考价值。
该项研究工作得到了中科院装备研制项目、国家自然科学基金、中国博士后基金和创新团队国际合作计划的支持。
相关文章链接： https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta02045d
图1. 激光辐照构建PdO/Pd/CNTs异质结示意图。
