MAX相碳化钛增强摩擦纳米发电机驱动集成式氨气绿色合成新策略

本研究针对传统氨合成工艺高能耗、高碳排放的问题，开发了一种基于MAX相Ti2AlC/PDMS复合电极的摩擦纳米发电机(TENG)，通过与V2C MXene电催化系统集成，实现了机械能驱动的可持续电化学氨合成，为绿色氨生产提供了新范式。

　　

在全球推动可持续未来的背景下，能源密集型工业过程的绿色化转型成为迫切需求。氨(NH₃)作为农业和工业化学的关键基础材料，其传统合成方法——Haber-Bosch工艺——不仅能耗巨大，占全球能源消耗的1-2%，更是温室气体排放的重要来源。虽然电化学氨合成在环境条件下提供了一种有前景的替代方案，但该方法需要可靠、低成本的可再生能源支持，才能真正实现商业化可行性。

在这项发表于《Applied Materials Today》的研究中，Shidhin Mappoli、Keval K. Sonigara、Radhika Nittoor-Veedu和Martin Pumera团队开发了一种创新的集成系统，将摩擦纳米发电机(TENG)与电催化氨合成相结合，为这一挑战提供了解决方案。

研究人员采用了几项关键技术方法：通过刮涂法制备Ti₂AlC/PDMS复合电极并构建接触分离式TENG装置；利用X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)等表征手段分析材料性质；采用电化学工作站评估V₂C MXene催化剂的硝酸盐还原性能；通过紫外-可见分光光度法(UV-Vis)定量检测氨产量；最后将TENG输出通过桥式整流器与电化学系统集成，实现机械能到化学能的转换。

2.1. Ti-TENG电极的设计与性能

研究人员首先对Ti₂AlC MAX相材料进行了详细表征。XPS分析显示材料表面存在显著的氧化现象，钛主要以Ti⁴⁺状态存在(结合能458.2 eV)，铝则形成Al₂O₃氧化物(74.3 eV)。这种表面氧化物层在调节复合材料介电和摩擦电性能方面扮演双重角色：TiO₂的高介电常数促进界面极化，而Al₂O₃作为宽禁带绝缘体可能抑制电荷迁移。SEM图像显示Ti₂AlC/PDMS复合材料中颗粒分散均匀，无显著团聚现象。CLSM分析表明，随着Ti₂AlC负载量从0%增加到20%，表面粗糙度(Sq)从0.074 μm显著上升至2.847 μm，这种粗糙度增加源于Ti₂AlC薄片在聚合物基质中的部分团聚和突起。

2.2. Ti-TENG电极的机理和摩擦电性能

研究团队详细阐述了接触式TENG的工作机制，包括初始状态、按压状态、分离状态、完全分离状态和再次接近状态的电荷转移过程。性能测试显示，Ti-TENG的输出电压随频率(6-12 Hz)增加而显著提高，在12 Hz时达到最佳性能，功率密度为2.35 mW cm^–2，能量密度为0.195 μJ cm^–2。浓度优化实验发现10% Ti₂AlC负载量表现最佳，过高浓度(15-20%)会导致颗粒团聚和表面电荷过早耗散。阻抗匹配分析显示功率密度在～8.2 MΩ时达到峰值，符合最大功率传输原理。实际应用测试表明，Ti-TENG能够通过手拍和脚踩等日常动作收集机械能，证明了其在实际场景中的应用潜力。

2.3. 集成Ti-TENG用于氨生成

最具创新性的部分是将Ti-TENG与电催化氨合成系统集成。研究人员使用V₂C MXene作为电催化剂，在恒定电位下先评估了其硝酸还原性能，发现在-1.8 V vs. Ag/AgCl条件下获得最高氨产率6.66 × 10^–6 mol cm^–2 h^–1，法拉第效率为33.45 ± 9.98%。随后用TENG替代恒电位仪作为电源，在10 Hz机械刺激下，1小时和4小时的氨产率分别为1.01 × 10^–6 mol cm^–2 h^–1和5.46 × 10^–7 mol cm^–2 h^–1。虽然延长操作时间导致单位时间产率下降，但这证明了TENG能够有效驱动电化学氨合成过程。

研究结论表明，Ti₂AlC/PDMS基TENG与电催化氨合成的成功集成，开发了一种自供电氨电化学合成系统。Ti₂AlC的加入显著提高了TENG性能，其收集低频环境机械能的能力为可持续氨生产提供了可行路径。更重要的是，这项研究展示了MAX相化合物在增强介电材料摩擦电特性方面的潜力，为开发环保、自供电系统提供了新思路。

该研究的重要意义在于提出了一种有前景的、可扩展的替代方案，能够替代传统能源需求高的过程如Haber-Bosch法。通过将机械能收集与电化学合成相结合，不仅为可持续化学合成开辟了新途径，也在环境保护和能源收集方面展示了广泛应用前景。这种集成系统特别适合偏远农业和工业环境的应用，为实现分布式氨生产提供了技术基础。