取代贵金属 新型氮化MXene催化剂高效产氨气

科学家一直致力将二维的超薄材料应用于再生能源技术，以提升效率。近期，美国德州农工大学（Texas A&M University）在低维化合物MXene的研究方面取得突破，发现它能以更永续的方式将空气转化为氨，为未来制造肥料和运输燃料铺平道路。

MXene是一种由过渡金属与碳化物、氮化物或碳氮化物组成的二维材料，具有高导电性、高比表面积和可调控表面基团等优异特性。特别是“氮化MXene”的电催化性能，要显著优于常见的碳化MXenes。这些特性使其能针对各种再生能源应用进行最佳化，有望取代传统昂贵的金属催化剂。

尽管氮化MXene表现优异，但科学界对于其在电催化过程中结构如何演变，还缺乏根本理解。特别是“晶格氮”的反应性，如何影响材料在溶剂中的振动特性，以及这对电催化有何具体影响仍是未解之谜。

为了厘清MXene的作用机制，美国德州农工大学化学工程系团队利用共焦拉曼光谱技术深入研究，最终揭开了钛基氮化MXenes在原子层面上的反应机制。这项研究成果发表在《美国化学学会杂志》。

研究团队发现，当钛基氮化MXenes浸泡到水、丙酮、乙醇等“极性溶剂”时，其拉曼振动模式会出现显著衰减，甚至完全消失，光谱上仅剩背景溶剂的讯号。不过，一但溶剂挥发、材料干燥后，其拉曼特征峰又会恢复。

除此之外，若将材料浸入正己烷、辛烷等“非极性”的碳氢化合物溶剂时，拉曼特征峰信号依然清晰可见。这两种情况证实了拉曼信号的消失，并非单纯因为“液体覆盖”或光学折射，而是与溶剂的化学性质（极性）密切有关。

为了进一步验证“晶格氮”是出现此现象的主要原因，研究团队合成碳氮化MXene、氮掺杂的碳化MXene，对它们进行比较测验。结果显示，只要氮原子引入碳化物结构，材料在极性溶剂中就会出现与纯氮化物相同的讯号消失。这证明了，“晶格氮”是控制MXene与光交互作用的关键开关。

研究团队推测，这是因为晶格氮原子与极性溶剂分子（水中的氧、氢）形成强氢键网络，改变了材料表面的电子结构和极化率，进而导致拉曼讯号改变。

这项特性对于氨气的合成至关重要。研究过程中，他们利用核磁共振（NMR）发现，氮化MXenes进行氮还原反应（NRR）时，并非只有表面吸附氮气参与，而是晶格氮直接参与。原因是，晶格氮被质子化形成氨气释放后，会在表面留下氮空位，随后吸取空气中的氮气填补空位，以完成催化循环。

研究人员表示，这是首次系统性揭示钛基氮化MXenes的振动特性，可以通过溶剂极性进行调控。未来将继续研究，希望找到更多相关应用，因为掌握这些机制有助于提升催化效率，并有望代替那些贵金属催化剂，实现低成本和低碳排的“氨经济”。

德州农工大学化学工程教授阿卜杜拉耶‧吉雷（Abdoulaye Djire）对该校新闻室表示，“这次研究加深了我们对于材料运作机制的理解。我们证明通过质子化和补充晶格氮，可实现氨的电化学合成，未来将把这些知识应用于化学品与燃料生产。”

德州农工大学化学工程系博士候选人雷伊‧余（Ray Yoo）表示，“MXene是理想的过渡金属基替代材料，特别是氮化MXene在电催化领域的性能，相比于研究广泛的碳化MXene有了显著提升。”

本研究得到了美国陆军司令部的能源科学能力建构计划的资助（计划编号：W911NF-24-1-0208）。