近日，深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院何傳新教授課題組在《Advanced Materials》（影響因子29.4，中科院JCR 1區(qū)，Top期刊）上發(fā)表了題為《UltrathinHigh-Entropy Fe-Based Spinel Oxide Nanosheets with Metalloid Band Structures for Efficient Nitrate Reduction towards Ammonia》的研究論文。該團(tuán)隊(duì)亓帥博士生為論文第一作者，胡琪副教授、何傳新教授為通訊作者，深圳大學(xué)為唯一通訊作者單位。

尖晶石氧化物由于其靈活的成分和電子構(gòu)型被廣泛應(yīng)用于各種重要的電催化反應(yīng)，包括析氧反應(yīng)（OER）和氧還原反應(yīng)（ORR）。為了提高OER和ORR活性，人們致力于通過調(diào)節(jié)化學(xué)成分或引入各種缺陷（如氧和陽離子空位）來優(yōu)化氧相關(guān)中間體在尖晶石氧化物上的吸附強(qiáng)度。盡管在高效尖晶石基電催化劑的合理設(shè)計(jì)方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，但其活性增強(qiáng)仍然受到電子導(dǎo)電性低的固有限制。最近，高熵氧化物引起了全球范圍的關(guān)注，因?yàn)槠洫?dú)特的催化性能。合理設(shè)計(jì)高熵氧化物可能為縮小帶隙和突破尖晶石氧化物低電導(dǎo)率的限制提供新的可能性。

NO₃^?RR提供了一種有效和可持續(xù)的途徑，可以從NO₃^?污染物中生產(chǎn)NH₃，從而完成氮循環(huán)。然而，NO₃^?RR的反應(yīng)過程十分復(fù)雜，涉及到各種副產(chǎn)物（如NO₂^?，NO和N₂），因此需要高活性和選擇性的電催化劑。目前，基于Fe的電催化劑由于其低成本和高NH₃選擇性成為NO₃^?RR的有前景的候選者。盡管對Fe催化的NO₃^?RR反應(yīng)路徑進(jìn)行了深入研究，但仍然不清楚影響Fe基電催化劑性能的關(guān)鍵因素，因此合理設(shè)計(jì)Fe基模型電催化劑，研究其反應(yīng)機(jī)制成為一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。

在本工作中，何傳新教授團(tuán)隊(duì)嘗試通過引入高熵成分（即A⁵Fe₂O₄）來縮小Fe基尖晶石氧化物的帶隙和增強(qiáng)電子導(dǎo)電性。在密度泛函理論（DFT）計(jì)算的指導(dǎo)下，通過改進(jìn)的溶膠-凝膠法合成了超薄高熵Fe基尖晶石氧化物A⁵Fe₂O₄。擴(kuò)散反射光譜結(jié)果表明，A⁵Fe₂O₄的帶隙僅為0.85 eV，顯著小于帶隙范圍為1.5到2.4 eV的其他二元尖晶石氧化物（AFe₂O₄）。電子結(jié)構(gòu)研究揭示了這種縮小的帶隙導(dǎo)致了從半導(dǎo)體向類金屬體的轉(zhuǎn)變，大幅提升導(dǎo)電性。改進(jìn)的溶膠-凝膠方法使得產(chǎn)生了超薄的類納米片狀形貌。相較于塊體尖晶石氧化物，提供了大約3倍的表面積和高度暴露的活性位點(diǎn)。憑借縮小的帶隙、增強(qiáng)的導(dǎo)電性和高度暴露的活性位點(diǎn)，A⁵Fe₂O₄在NO₃^?RR中表現(xiàn)出良好的性能，產(chǎn)NH₃的最大法拉第效率約為98.1%，優(yōu)于報道的大部分非貴金屬尖晶石氧化物。

該研究成果得到國家自然科學(xué)基金聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目、粵深聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目、深圳市科技計(jì)劃等項(xiàng)目資金支持。