固氮合成氨有了高效光催化劑
記者從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校熊宇杰教授團(tuán)隊(duì)，通過(guò)金屬氧化物光催化劑的缺陷工程調(diào)控，發(fā)現(xiàn)通過(guò)摻雜的方式來(lái)精修催化劑的缺陷態(tài)，可以促進(jìn)缺陷位點(diǎn)對(duì)氮分子的高效活化，有效地提高光催化固氮合成氨的效率。該成果日前在線發(fā)表于國(guó)際化學(xué)重要期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上。
工業(yè)合成氨技術(shù)使用鐵基催化劑，其反應(yīng)條件非?？量蹋?50大氣壓、400攝氏度），并需要巨大的能耗。光催化技術(shù)能夠直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，為降低合成氨能耗提供了非常具有前景的方法。由于氮分子穩(wěn)定的化學(xué)特性，從而導(dǎo)致常規(guī)的光催化材料很難活化氮分子，開發(fā)高效的固氮合成氨光催化劑依然面臨巨大挑戰(zhàn)。
氮分子活化一般被認(rèn)為是氮還原的先決條件。對(duì)于光催化材料，表面缺陷位點(diǎn)可以作為氮分子化學(xué)吸附的活性位點(diǎn)，同時(shí)局域在缺陷處的電子可以轉(zhuǎn)移進(jìn)入吸附氮分子的反鍵π軌道，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氮—氮叁鍵的弱化作用。
科研人員將鉬原子摻雜在催化劑的缺陷位點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)了光催化體系中氮分子的高效活化。研究人員結(jié)合同步輻射技術(shù)表征、原位紅外光譜檢測(cè)和理論計(jì)算模擬，揭示了摻雜鉬原子對(duì)缺陷狀態(tài)的精修作用。一方面，鉬摻雜提升了催化劑缺陷能級(jí)，減少了電子能量馳豫過(guò)程帶來(lái)的能量損耗；另一方面，鉬摻雜形成的鉬—鎢異質(zhì)位點(diǎn)調(diào)控了吸附氮分子的電荷狀態(tài)，增大了氮原子之間的電荷差，同時(shí)提高了金屬—氧鍵的共價(jià)性，促進(jìn)了光生電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。這些鉬摻雜帶來(lái)的不同效應(yīng)之間的協(xié)同作用，有效地促進(jìn)了催化位點(diǎn)對(duì)氮分子的活化，實(shí)現(xiàn)了催化劑光驅(qū)動(dòng)固氮合成氨效率的大幅提升。
該成果為開發(fā)高效的固氮光催化劑以及調(diào)控催化劑缺陷提供了一種新的思路,并展示了催化位點(diǎn)電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控對(duì)催化反應(yīng)的重要性。
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