近日，深圳大學化學與環(huán)境工程學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。該團隊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型被廣泛應用于各種重要的電催化反應，包括析氧反應（OER）和氧還原反應（ORR）。為了提高OER和ORR活性，人們致力于通過調(diào)節(jié)化學成分或引入各種缺陷（如氧和陽離子空位）來優(yōu)化氧相關中間體在尖晶石氧化物上的吸附強度。盡管在高效尖晶石基電催化劑的合理設計方面取得了實質(zhì)性進展，但其活性增強仍然受到電子導電性低的固有限制。最近，高熵氧化物引起了全球范圍的關注，因為其獨特的催化性能。合理設計高熵氧化物可能為縮小帶隙和突破尖晶石氧化物低電導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的反應過程十分復雜，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反應路徑進行了深入研究，但仍然不清楚影響Fe基電催化劑性能的關鍵因素，因此合理設計Fe基模型電催化劑，研究其反應機制成為一項具有挑戰(zhàn)性的工作。

在本工作中，何傳新教授團隊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電子導電性。在密度泛函理論（DFT）計算的指導下，通過改進的溶膠-凝膠法合成了超薄高熵Fe基尖晶石氧化物A⁵Fe₂O₄。擴散反射光譜結果表明，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）。電子結構研究揭示了這種縮小的帶隙導致了從半導體向類金屬體的轉(zhuǎn)變，大幅提升導電性。改進的溶膠-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。憑借縮小的帶隙、增強的導電性和高度暴露的活性位點，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基金聯(lián)合重點項目、粵深聯(lián)合重點項目、深圳市科技計劃等項目資金支持。