近期，合肥研究院固體物理研究所液相激光加工與制備實驗室構筑了具有豐富鈀-氧化鈀界面的異質結結構，且在金屬-氧化物界面電催化固氮研究方面取得進展。相關結果發表在Journal of Materials Chemistry A 雜志上。
氨是一種重要的工業原料，在化工、輕工、化肥和制藥等領域具有廣泛的應用。哈珀法（Haber-Bosch）（一種通過氮氣及氫氣產生氨氣的方法）是當前大規模工業合成氨的主要方式，但存在反應條件苛刻、資源消耗大和污染嚴重的缺點，因此從資源與環境可持續發展的角度出發，實現溫和條件下氨的合成具有重要的實用價值和意義。電催化氮還原反應（NRR）是近年來發展迅猛的常溫下實現合成氨的主要方式之一。電催化劑是NRR過程高效合成氨的關鍵，它不僅需要克服氮氣緩慢的動力學吸附過程實現氮氣分子活化，還需要考慮競爭反應—氫還原反應（HER）對NRR過程的影響。研究表明：金屬-氧化物界面之間的相互作用在為表面N2分子提供穩定、高效活化場所的同時，還可以有效抑制HER副反應的發生，從而提升NRR反應的法拉第效率。以鈀-氧化鈀（Pd-PdO）異質結為例，復合體系中的PdO相較于Pd更易吸附表面質子H形成可活化氮氣的穩定相—α-PdH，因此，通過界面處Pd、PdO的協同作用能夠極大地提高催化劑的電催化合成氨效率。
鑒于此，液相激光加工與制備實驗室通過Nd：YAG激光輻照PdO負載的碳納米管，利用激光誘導的光熱效應還原PdO生成Pd，通過控制激光束能量和輻照時間，構筑了具有豐富Pd-PdO界面的異質結結構。在15 mJ脈沖激光能量條件下，355nm激光輻照10 min形成的PdO/Pd/CNTs異質結表現出最佳的NRR性能，其氨產率為18.2 μg mg-1h-1，且在堿性電解質中的法拉第效率達到11.5%。激光輻照誘導產生的PdO-Pd界面值是影響CNTs負載PdO/Pd異質結NRR性能的關鍵，這是由于Pd-PdO界面一側的Pd可以有效吸附N2分子形成Pd-N2鍵，而另一側的PdO則可以傳送質子H形成α-PdH并破壞N≡N，PdO和Pd之間的協同效應有效縮短了質子傳遞距離，降低了化學反應過電勢，其電催化氮氣轉化效率相較于單一的Pd和PdO催化劑得到了有效提高。
本研究工作是對基于液相激光技術合成高性能光、電催化劑的進一步拓展，對研究金屬-氧化物界面增強NRR性能具有重要的參考價值。
該項研究工作得到了中科院裝備研制項目、國家自然科學基金、中國博士后基金和創新團隊國際合作計劃的支持。
文章鏈接： https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta02045d
激光輻照構建PdO/Pd/CNTs異質結示意圖。
