新材料學(xué)院發(fā)現(xiàn)光照將氮?dú)馔瑫r(shí)生成氨和硝酸根的催化材料和機(jī)理
?? 新材料學(xué)院2020年6月17日訊，我院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)在研究工作中取得重要進(jìn)展。
? ?氨和硝酸鹽在農(nóng)業(yè)和化學(xué)合成中具有重要的作用。目前氨主要使用傳統(tǒng)的哈伯-博世(Haber-Bosch)工藝進(jìn)行生產(chǎn)，該過(guò)程消耗了全球約2%的能源，排放約1%的溫室氣體。同時(shí)在使用NH3生產(chǎn)硝酸時(shí)還需要消耗額外的能源。而在常溫常壓下，使用太陽(yáng)能、水和催化劑進(jìn)行氮的固定展現(xiàn)出了巨大的潛力。當(dāng)前，有很多關(guān)于光催化固氮的報(bào)到，但是產(chǎn)物是多是NH4+或NO3-，而同時(shí)形成NH4+和NO3-的報(bào)道卻很少。
? ?近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授領(lǐng)導(dǎo)的清潔能源中心研究團(tuán)隊(duì)成功合成了一種W18O49納米線光催化劑，它可以在常溫常壓下通過(guò)還原和氧化兩種反應(yīng)途徑，同時(shí)產(chǎn)生NH4+或NO3-，實(shí)現(xiàn)氮的固定。經(jīng)過(guò)采用不同單色光進(jìn)行光催化固氮實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了W18O49納米線的表面缺陷在光催化固氮過(guò)程中對(duì)光波長(zhǎng)依賴的機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)W18O49納米線的氧空位不僅可以促進(jìn)N2的活化和解離，還可以提高了光吸收性能，光激發(fā)載流子的分離能力。在模擬太陽(yáng)光照下可以在純水中同時(shí)產(chǎn)生NH4+和NO3-，甚至在波長(zhǎng)730 nm仍可以產(chǎn)生固氮效果，而在365 nm時(shí)最大量子效率達(dá)到9%。該工作近日以題為 “Wavelength-Dependent Solar N2 Fixation into Ammonia and Nitrate in Pure Water”的研究文章發(fā)表在Research (Science Partner Journal (SPJ) program）期刊上 (Research, 2020, doi.org/10.34133/2020/3750314)。
圖1 光催化固氮產(chǎn)生氨和硝酸根的反應(yīng)機(jī)制
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? ?同時(shí)該研究表明，N2分子在光催化固氮過(guò)程中的歧化反應(yīng)比單純的還原或氧化反應(yīng)具有更大的能量?jī)?yōu)勢(shì)。值得注意的是，NH4+與總產(chǎn)物(NH4+和NO3-)的摩爾比在波長(zhǎng)365 nm到730 nm之間呈倒火山狀。NO3-所占的比率從波長(zhǎng)365 nm到427 nm間的增加是由于無(wú)氧空位W位點(diǎn)的析氧反應(yīng)(OER)和氧空位處的N2氧化反應(yīng)(NOR)之間的競(jìng)爭(zhēng)造成的，后者是由本征離域光激發(fā)空穴驅(qū)動(dòng)的。從427 nm到730 nm間NO3-所占的比率的下降，主要是因?yàn)?NOR由于其比OER更高的平衡電位而在能量上受到限制，同時(shí)伴有氧空位上的局域光激發(fā)空穴。在427 nm 到515 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，固氮反應(yīng)則出現(xiàn)了完全歧化。本工作為光激發(fā)載流子的利用，設(shè)計(jì)并優(yōu)化實(shí)用的固氮光催化劑提出了一種合理的策略。
? ?本工作由新材料學(xué)院潘鋒教授指導(dǎo)完成，該論文共同第一作者為任文舉博士、梅宗維博士、鄭世勝和李舜寧博士，潘鋒教授為通信作者。該工作得到了國(guó)家材料基因工程重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)等項(xiàng)目的大力支持。
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文章鏈接：https://spj.sciencemag.org/research/2020/3750314/
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