氨(NH₃)是工业生产中一种重要的化工原料，可用于化肥、工业燃料等化学化工产品的生产以及药物和纤维的合成，同时氨气是氢气的理想贮存介质，在能源相关的工业中得到广泛应用。电催化氮还原反应(Nitrogen Reduction Reaction,NRR)具有低能耗、设备简单以及环境友好等优势，是一种具有应用前景的制氨技术。目前，铁作为Haber-Bosch技术的催化剂被认为是NRR过程的有效催化剂之一。然而，铁基氧化物本身具有的本征活性较低的缺陷对NRR的发展构成了障碍，限制了其实际应用。因此，铁基氧化物催化剂的研究对NRR的广泛发展至关重要。

近日，江苏科技大学杨福副教授团队在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上，发表了最新研究成果“Oxygen vacancy modulation in interfacial engineering Fe₃O₄ over carbon nanofiber boosting ambient electrocatalytic N₂ reduction”。研究者通过静电纺丝和简单的热处理，合成出了一种界面调控的富氧空位Fe₃O₄纳米纤维催化剂。Fe@CNF-800催化剂优秀的电催化氮还原反应（NRR）性能应归因于其结构效应。其中，较小的纳米颗粒在界面共生状态下组装较大的颗粒提供了较大的活性界面面积，从而提高了催化活性。此外，这种组装的互生纳米颗粒之间的相互作用促进了更高的稳定性。这种界面调节还促进了氧空位的形成，导致了额外活性位点的高暴露，并有效地增强了N₂分子的吸附和活化。

 Fe@CNF-800电催化剂的NH₃产率为37.1 μg ^-1 mgcat.^-1, 法拉第效率为10.2%。与其他氧化铁催化剂相比，我们的催化剂突破了单一金属氧化铁活性过低的限制，活性与一些双金属催化剂相当。此外，Fe@CNF-800在90 h的工作周期内表现出优异的选择性和电化学稳定性，实现了稳定性的新突破，有望成为一种经济、高效和稳定的NRR电催化剂。

图1：Fe@CNF-800碳纳米纤维的合成示意图及微观形貌。

Fe@CNF-800是通过静电纺丝和简单热处理工艺制备的。图1a显示了复合材料的制备过程，其中聚丙烯腈（PAN）被用作静电纺丝的载体，使Fe₃O₄颗粒均匀分布在其表面。如图1b所示，Fe@CNF-800是由均匀分布在CNF表面的细小纳米颗粒组成，Fe₃O₄在碳纤维上的串联结构使得Fe₃O₄有足够的暴露量，有利于氮气的吸附和活化。通过TEM技术表征Fe@CNF-800的微观形貌(图1c)，计算出的平均粒径在80 ~ 90 nm之间(图1d)。图1e中的HRTEM图像显示，在所选区域内可以识别出多个暴露的相邻晶面，这表明界面共生的Fe₃O₄纳米颗粒聚集成具有明显晶粒边界的纳米颗粒。

图2： Fe@CNF-800的元素组成和化学键状态。

如图2a所示，XRD证明了催化剂的存在状态。图2b-c证明了Fe@CNF的元素组成与化学键状态。此外，图2c、f证明了Fe@CNF-800具有最多的氧空位含量，是Fe@CNF-800活性最高的主要原因，揭示了Fe@CNF-800的活性来源。

图3：Fe@CNF-800的反应条件筛选及不同温度下Fe@CNF的性能对比。

图4：制备的Fe@CNF-800电化学性能评估。

制备的Fe@CNF-800电催化剂在碱性条件下（1.0M KOH）过电位仅为-0.2 V，具有优异的电催化活性（37.1 μg ^-1 mgcat.^-1）、优秀的法拉第效率（10.2%）、较高的电化学活性比表面积（10.88 mF cm^-2）和持久的稳定性（90 h），有望在实际应用中发挥出较大的潜能。此外，通过一系列表征表明，氧空位的形成加强了电催化剂表面的N₂捕获，促进了催化剂与N2的吸附和相互作用。因此，界面调控的富氧空位Fe₃O₄纳米纤维具有优异的电化学性能，在新能源方面具有潜在的应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.08.106

人物简介：

杨福，副教授，硕士生导师，工学博士，2018年获南京工业大学工业催化专业博士学位，同年入职江苏科技大学环化学院，2016-2017年受国家留学基金委资助在新加坡国立大学化学与生物分子工程学院进行公派博士联合培养，2021年获江苏科技大学“深蓝杰出人才”培养资助，常州市“龙城英才计划”创新创业领军人才，并入选2021年江苏省“双创计划”科技副总项目。主要从事多孔分子筛制备及多相催化材料设计合成与工业催化研究，研究集中于负载型金属催化剂的活性位调控、多金属协同效应构建，结构设计及催化剂反应性能及活性机制研究，已在化学、工程、环境等重要国际知名期刊如Angwante Chemie-International Edition, Applied Catalysis B-Environmental, ACS Catalysis, Green Chemistry, Science China Materials, Environment International, ACS Applied Materials Interface, ChemSusChem,等杂志上发表SCI学术论文九十余篇。目前担任Appl. Catal. B, ACS Appl. Mater. Interface, ChemSusChem, Energy Technol., Appl. Surf. Sci., ACS Appl. Nano Mater., Mol. Catal., J. Ind. Eng. Chem., New J. Chem.等国际学术杂志的审稿人与仲裁人。