IF 18.5！在原子薄的二硫化钼中设计镍掺杂剂，用于高效将硝酸盐还原为氨

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电催化硝酸盐还原反应 （NO3−RR） 为同时实现氨 （NH3） 电合成和水污染物去除提供了一种有前途的途径。在探索的各种电催化剂中，二维材料因其能够通过掺杂调节电子态和活性位点而成为有前途的候选材料。然而，二维材料中的掺杂效应对 NO 3-RR 机制的影响仍相对未得到探索。在这里，Ni 掺杂的 MoS2 （Ni-MoS2） 纳米片作为模型系统进行了研究，与未掺杂的纳米片相比，证明了增强的 NO3−RR 性能。通过控制掺杂浓度，Ni-MoS2 纳米片在 −0.3VRHE 下对 NH3 实现了 92.3% 的显着法拉第效率 （FE），具有出色的稳定性。机理研究表明，NO3−RR 性能的升高源于更活性氢的产生以及 Ni 掺杂促进亚硝酸盐 （NO2−） 到 NH3 的反应加速。结合实验观察和理论计算，揭示了 MoS2 中适当的 Ni 掺杂水平可以提高 *NO3 的吸附强度，从而促进后续的电催化步骤。结合 Zn-NO3-和 Zn-NO2-电池器件的演示，这项工作为高效 NO 3-RR 的 2D 材料催化剂中活性位点的设计和调节提供了新的见解。

创新点

1. Ni掺杂MoS2的设计：在原子薄的二硫化钼中引入镍掺杂，显著提升了硝酸盐还原反应（NO3−RR）的催化性能。

2. 高法拉第效率实现：Ni-MoS2纳米片在−0.3 VRHE下实现了92.3%的氨法拉第效率，展示了优异的电催化能力。

3. 掺杂浓度调控：通过精确控制Ni掺杂水平，优化了MoS2的电子态和活性位点，提高了反应效率。

4. 机理研究的深：揭示了Ni掺杂促进活性氢生成和亚硝酸盐到氨转化加速的反应机理。

对科研工作的启发

1. 二维材料掺杂研究：鼓励进一步探索其他金属掺杂对二维材料电催化性能的影响。

2. 机理验证的深化：推动实验与理论计算结合，揭示掺杂效应的微观作用机制。

3. 掺杂工艺优化：开发更精确的掺杂技术，以实现活性位点的可控设计。

4. 性能测试标准化：建立统一的NO3−RR性能评估体系，促进不同催化剂的比较研究。

思路延伸

1. 其他二维材料的掺杂：尝试在石墨烯、过渡金属碳化物（MXene）等材料中引入Ni掺杂，比较其NO3−RR性能。

2. 多元素协同掺杂：探索Ni与其他元素（如Co、Fe）的协同掺杂效应，进一步提升催化活性。

3. 动态反应调控：设计可调掺杂浓度的MoS2系统，实时优化反应条件下的催化性能。

4. 纳米结构优化：调整Ni-MoS2的形貌（如边缘位点增多）以暴露更多活性位点。

5. 绿色合成路径：开发低成本、环境友好的Ni-MoS2制备方法，推动工业化生产。

生物医学领域的应用

1. 氨合成的生物利用：利用Ni-MoS2催化产生的氨作为生物合成前体，用于药物或氨基酸生产。

2. 水质净化：通过NO3−RR去除水体中的硝酸盐污染物，为生物医学实验提供洁净水源。

3. 生物传感器开发：基于Ni-MoS2的高效电催化特性，设计检测硝酸盐或亚硝酸盐的生物传感器。

4. 细胞代谢研究：利用Ni-MoS2调控氨浓度，研究氨在细胞代谢和毒性中的作用。

5. 药物传递载体：将Ni-MoS2纳米片作为药物传递平台，结合其催化性能实现靶向治疗。

6. 抗菌材料潜力：探索Ni-MoS2在去除水中污染物时的抗菌效果，用于生物医学环境消毒。

Engineering Nickel Dopants in Atomically Thin Molybdenum Disulfide for Highly Efficient Nitrate Reduction to Ammonia

Adv. Funct. Mater.(IF 18.5)

Pub Date  : 2024-09-16

DOI : 10.1002/adfm.202411491

Jiangnan Lv, Xiaoting Sun, Fang Wang, Ruixia Yang, Taisong Zhang, Tingting Liang, Wanting Rong, Qianwen Yang, Wuhong Xue, Lanfang Wang, Xiaohong Xu, Yang Liu

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