固氮合成氨有了高效光催化剂

记者从中国科学技术大学获悉，该校熊宇杰教授团队，通过金属氧化物光催化剂的缺陷工程调控，发现通过掺杂的方式来精修催化剂的缺陷态，可以促进缺陷位点对氮分子的高效活化，有效地提高光催化固氮合成氨的效率。该成果日前在线发表于国际化学重要期刊《美国化学会志》上。

工业合成氨技术使用铁基催化剂，其反应条件非常苛刻（250大气压、400摄氏度），并需要巨大的能耗。光催化技术能够直接将太阳能转化为化学能，为降低合成氨能耗提供了非常具有前景的方法。由于氮分子稳定的化学特性，从而导致常规的光催化材料很难活化氮分子，开发高效的固氮合成氨光催化剂依然面临巨大挑战。

氮分子活化一般被认为是氮还原的先决条件。对于光催化材料，表面缺陷位点可以作为氮分子化学吸附的活性位点，同时局域在缺陷处的电子可以转移进入吸附氮分子的反键π轨道，从而实现对氮—氮叁键的弱化作用。

科研人员将钼原子掺杂在催化剂的缺陷位点处，实现了光催化体系中氮分子的高效活化。研究人员结合同步辐射技术表征、原位红外光谱检测和理论计算模拟，揭示了掺杂钼原子对缺陷状态的精修作用。一方面，钼掺杂提升了催化剂缺陷能级，减少了电子能量驰豫过程带来的能量损耗；另一方面，钼掺杂形成的钼—钨异质位点调控了吸附氮分子的电荷状态，增大了氮原子之间的电荷差，同时提高了金属—氧键的共价性，促进了光生电子转移过程。这些钼掺杂带来的不同效应之间的协同作用，有效地促进了催化位点对氮分子的活化，实现了催化剂光驱动固氮合成氨效率的大幅提升。

该成果为开发高效的固氮光催化剂以及调控催化剂缺陷提供了一种新的思路,并展示了催化位点电子结构的调控对催化反应的重要性。