氨(NH3)是化学工业的基本组成部分，被认为是一种有前途的无碳氢能载体。在通过Haber-Bosch (HB)工艺合成NH3的过程中，会消耗大量能源和产生CO2气体。为了减少对矿物燃料的依赖和不破坏生态环境，按照电能驱动的Haber-Bosch (eHB)“可再生能源→电解制氢→NH3合成”途径来合成NH3具有实际意义。eHB工艺的主要障碍是加压水电解产生的H2的输出压力(大部分在1.0 -3.2 MPa范围内)不符合传统的用于NH3合成的Fe基催化剂(15-30 MPa)所采用的条件，并且加压装置繁琐且昂贵。为了使eHB具有成本效益，有必要开发能够在较温和的条件(≤400 °C和3MPa)下高效运行的NH3合成催化剂。
近日，东京工业大学Hideo Hosono、福州大学江莉龙、王秀云和西北工业大学王俊杰等制备了负载纳米金属(Co、Ni和Re)的Mo2CTx MXene，它结合了双位点和H溢出的正效应，能够在温和条件下合成NH3。研究表明，Mo2CTx的表面终止氧基(Tx)可以部分减少，以暴露一个高度活跃的二维平台来促进N2活化。同时，暴露的Mo4+离子作为N2的活性位点，同时抑制H2的活化和N-Hx的形成。在Re的作用下，H2很容易被激活并从Re溢出到Mo2CTx以促进N原子的氢化形成N-Hx物种。此外，从Re到Mo2CTx的电子转移可以增加其负电荷密度，诱导NH3的电荷排斥以加速其解吸。因此，通过H溢出桥接双活性位点的策略，可以同时实现N2的激活和NH3物种的解吸，即NH3合成的瓶颈在Re/Mo2CTx上解耦。类似地，已知Ni和Co金属具有强烈的H2活化能力，并且在这方面可以与Re金属起类似地作用，但是如N2/H2-TPD实验所证明，它们对N2活化表现出惰性。在Mo2CTx的协同作用下，在温和条件下NH3的合成性能也优于Ni/Mo2CTx和Co/Mo2CTx。值得注意的是，H溢出的帮助可以打破需要密切连接以确保产物生成的双活性位点的空间限制，从而增加NH3形成的可用和有效的双活性位点。总的来说，该项工作证实了将MXene与第二种活性金属结合形成双功能催化剂是提取MXene在NH3合成中的独特性质的一种可行策略。Precious-metal-free Mo-MXene catalyst enabling facile ammonia synthesis via dual sites bridged by H-spillover. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c03998
