同济王志伟课题组：实验与理论结合，看MXene如何将硝酸根还原

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研究背景硝酸盐丯种有毒的化学物质，广泛存在于农业和工业废水中。硝酸盐直接导致了自然水域富营养化以及其他环境问题。目前，处理硝酸根可以通过生物反硝化、反渗透和离子交换等方法来去除。生物方法成本低， 但是细菌的生长需要额外净化。反渗透和离子交换都有功效，然而处理富集高浓度的3需要苛刻的反应条件（如高压、特定的值、2进料）以及提高3 的选择性，这在很大程度上增加了能源和材料成本，并导致了额外的处理过程。此外，如果将废水中的高浓度3 转化为3，有望能缓解传统生产氨的工霚求。不仅有助于解决环境问题，而且有可能减少能源消耗。在此，作者采用理论计算和实验结合，报道了种具有多层纳米流体通道的机械柔性2(32)膜，用于选择性电化学将硝酸盐（3）还原为氮气()。纳米片表面的缺陷在实现高活性方面起着重要作用，主要是在低配位的钛位点。结果与讨论从图2 ，的扫描电镜()图像显示，所制备的膜具有清晰的多层结构，厚度为10μ。由图的正电子湮灭光谱学()图可看出，用32蚀刻原子后，表面缺陷的自由体积增加。对氧的反褶积结果（图2）表明，空位比例（531.6）远高于晶格氧（529.8）。制备的膜比纯纳米片(14.0?)具有更宽的平面间距(15.3?)，的（002）平面的峰从6.9°移动到6.3°(图2)。2膜的线性扫描伏安（）图显示，在约0.6到1.0()之间三个明显的宽峰(图3)。相比之下，在硫酸盐溶液中没有观察到这个峰(图3)。如图3所示，在硝酸钠溶液(60.6?1)中不同电位下获得的平坦曲线在硝酸盐还原2小时后的衰减可以忽略不计。相应的产物产率和法拉得效率()如图3所示。可以看出，在0.7~0.9的电位内，是主要的还原产物。在?值为0.8时，(243)的产量最高，选择性为77.2%。同样，随着膜通量的增加而增加(图4)在24的实验中，膜的硝酸盐去除、选择性和分别保持在73.6±6.4、82.8±5.1和72.6±4.7%，但略有波动(图4)。和芳芳胺纳米纤维的质量随时间的变化可以忽略不计。表明其对硝酸盐电还原具有良好的稳定性。根据连续操作的结果，将、硝酸盐去除和的平均值与现有研究的结果进行了比较(图4)。据我们所知，2膜在极低电气成本（0.283）下显示出更高的（72.6%）比其他地方记录的大多数材料，包括钯基材料（2 21?29%和0.53?5.72 3）11、12、48和非钯材料（2 0.11?5.41%和26.87?291.91?3）。文献49?52相对较低的电流密度可能导致该系统优越的和选择性。接着，作者对硝酸盐选择性还原为的机理进行观察，根据理论计算，硝酸盐吸附在的间隙钛位点上，形成吸附的硝酸盐(即*硝酸盐，其中“*”表示的活性位点)是自发的，如图5所示。预测的吉布斯自由能变化，Δ?2.46，表明，在表面的活性位点上可以克服排斥电力。吸附的3中明显的?键长拉伸表明，表面位点吸附更容易实现键断裂。根据速率决定步骤，路径Ⅱ大于路径。纳米片上的3选择性还原为应通过路径进行。在这种情况下，二维纳米流体通道可以缩短硝酸盐的扩散长度，从而对相邻的低配位的进行良好的吸附和还原(图5)。该文章是典型亄篇实验和理论结合的文章，目前很多文章也都会采用这种方式，在本文中使用到了常见的台阶图。那么般都是用来进行计算，靶要通过输入代码从中获取 (能量）的信息，在上根据公式进行计算。结鞄要通过软件，下载下来，并用查看,导出图片。但这些操作有些繁琐，且理论学习代码学习约需要半年的时间才能上手，在校外的话学校的机房外网无法登陆，这个时候该怎么办呢？平台集成了丬性原理计算、分子动力学以及机器学习等重要科研手段，让大量计算工作“全自动化”。目前注册即送500机时，最高5000机时，平乇个结构优化10~30左右,以该文献为例，2条路径，共12个中间体，可以在4个机时内解决该文章理论计算部分鞄求。首先，乓台能够上网的电脑。（1）在百度搜索“”，进入官网，点击数据库，并上传中间体结构（2）点击模拟，新建工作流（3）拖拽通用导入组件】，结构优化】，按下图连接，点击...】可设置参数，不清楚的可以使用默认设置，平台支持自动调参。（4）点击提交，过一会后刷新，打勾即表示优化完成。点击查看结果（5）即可得到能量需要注意的是，结果中的所有图，文件，都支持下载到本地保存哦。这里仅介绍了结构优化的使用方法，这也是许多非计算人员使木多亄个功能，从整个过程中，相信朋友们已经体会到了该的优越性和简便性，只要会用电脑的人几乎都可以半天上手。事实上平台还集成了大量的计算模块，如能带计算、弹性常数计算、光学性质的计算、数据处理等等。在不久的未来，平台有可能改变材料人的科研工作方式，从传统繁琐的计算中，将人解放出来，更高效的完成科研工作。