西电先进材料与纳米科技学院在光催化固氮领域取得重要成果

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近日，我校先进材料与纳米科技学院应用化学系纳米光电化学与应用团队在光催化固氮实现氨的绿色合成方面取得了重要进展。在国际TOP期刊《Materials Today Physics》上发表题为“Directed charge transfer in all solid state heterojunction of Fe doped MoS2 and C-TiO2 nanosheet for enhanced nitrogen photofixation”的研究论文。先进材料与纳米科技学院硕士研究生宋倩和孙聪聪同学为论文的第一和共同第一作者，学院青年教师王政、白晓霞和赵振环副教授为论文的共同通讯作者，西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院为论文第一单位。
        当前，双碳问题是世界各国面临的重大问题，实现碳达峰、碳中和，是着力解决资源环境约束突出问题、实现国家永续发展的必然选择。氨是现代农业氮肥的主要合成原料，也是主要的工业化学品原料，更是潜在的无碳能量载体。然而，全球氨的主要来源来自于哈珀法，该方法采用高温高压反应制备氨，同时其所需的原料氢气则主要依靠化石原料的重整，该重整过程不仅能耗高，还排放大量的温室气体。据统计，平均每生产一吨氨，排放约两吨二氧化碳气体。光催化固氮是一种潜力巨大的清洁技术，其利用半导体材料吸收太阳能，产生电子和空穴，光生电子可在温和条件下将惰性的氮气分子还原为氨。因氮还原为氨过高的还原电位，导致合适的催化剂非常少。同时惰性的氮气分子在催化剂表面的极慢反应动力学，导致固氮效率仍然较低。基于此，研究人员首先通过设计制备铁掺杂二硫化钼纳米结构，模拟生物固氮酶的活性中心，同时与具有多孔结构的碳-二氧化钛纳米片复合，制备全固态z-型复合光催化剂，引导光生载流子的分离与传输，充分利用具有更高能量的光生电子还原氮气分子，获得了较高的产氨效率。

全固态z-型复合光催化剂实现氨的绿色合成

        近年来，纳米光电化学与应用团队聚焦绿色化学和清洁能源技术，在光催化固氮合成氨领域取得了一系列的研究成果。团队创新性的提出了开发基于等离激元半导体光催化固氮技术。等离激元效应来自于自由载流子的集体振荡，广泛存在于金属纳米结构中。尽管金属等离激元纳米材料在光催化中也有广泛的应用，可以通过等离激元增强的光吸收和散射、热载流子传输以及等离激元共振能量传递等机理提高太阳能转化效率，但其能量转化效率仍然有限，多用于弥补半导体材料的弱点。研究发现一些半导体纳米材料在可见光和近红外光范围表现出优异的等离激元共振吸收。相比等离激元金属纳米材料，这些半导体的等离激元共振效应的调控手段更加丰富。等离激元半导体材料普遍具有较高的缺陷浓度、非常宽的光响应波段，因而是理想的固氮光催化剂。该团队的研究人员设计制备了新型的等离激元半导体材料SrMoO4，其在可见光和近红外光范围具有强的等离激元吸收，其共振吸收峰的中心位置可从520 nm调节到815 nm，具有等离激元效应的SrMoO4表现出优异的可见光固氮性能。其增强的光催化活性主要来源于更宽的太阳光吸收波段、等离激元激发产生的热载流子和丰富的缺陷活性位点。一方面，宽禁带的SrMoO4具有较高的导带能级，本征激发形成的导带电子能在热力学上将氮气分子还原为氨；另一方面，等离激元激发产生的热载流子具有较高的能量，能够越过固液界面的肖特基能垒，将吸附在催化剂表面缺陷处的氮气分子还原为氨。但是，尽管缺陷在光催化固氮中展现出多方面的优点，其在半导体中的浓度仍需进一步的优化。我们的研究结果表明，过多的氧空位将会促进载流子的复合，从而降低催化剂的固氮性能。该研究工作发表在我国催化领域的TOP期刊《催化学报》的英文版Chinese Journal of Catalysis上，其中博士生李强同学为论文第一作者，赵振环副教授、青年教师王政，以及电子科技大学王志明教授为论文的共同通讯作者，先进材料与纳米科技学院为论文第一单位。

等离激元SrMoO4光催化固氮

       纳米光电化学与应用团队：
       纳米光电化学与应用研究团队成立于2018年，现有教师10人，其中教授2人，全职外籍教授1人，副教授3人，华山准聘副教授1人，讲师4人，在读博士和硕士研究生15人。团队重点研究纳米功能材料的化学创制及其在人工光合作用、舰载电子设备腐蚀与防护、POCT即时检测等领域的基础和应用研究。主要涉及等离激元半导体材料、硅基阵列光电器件、MOF新材料、量子点材料等的设计和可控制备。利用光电化学、超快光谱、分析化学等手段研究材料的物性、器件效能及作用机制，以开发面向国家重大需求的碳中和的新能源材料与技术、舰载电子设备腐蚀与防护关键技术、生命健康的POCT即时检测技术等。
团队近年来在光催化固氮领域的研究成果：
       [1] Qian Song, Congcong Sun, Zheng Wang, Xiaoxia Bai, Keming Wu, Qiang Li, Hui Zhang, Lijun Zhou, Haili Pang, Yanping Liang, Shuai Yue, Zhenhuan Zhao, Directed charge transfer in all solid state heterojunction of Fe doped MoS2 and C-TiO2 nanosheet for enhanced nitrogen photofixation, Materials Today Physics 2021, DOI: 10.1016/j.mtphys.2021.100563
        文章链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2542529321002248
        [2] Qiang Li, Zhenhuan Zhao, Xiaoxia Bai, Xin Tong, Shuai Yue, Jingying Luo, Xin Yu, Zhenni Wang, Zheng Wang, Peipei Li, Yanping Liang and Zhiming Wang, Tunable and stable localized surface plasmon resonance in SrMoO4 for enhanced visible light driven nitrogen reduction, Chinese Journal of Catalysis 2021, 42, 1763-1771.
        文章链接：http://www.cjcatal.com/CN/abstract/article_25874.shtml
        [3] Qiang Li, Xiaoxia Bai, Jingying Luo, Chunyuan Li, Zhenni Wang, Weiwei Wu, Yanping Liang and Zhenhuan Zhao, Fe doped SrWO4 with tunable band structure for photocatalytic nitrogen fixation, Nanotechnology 2020, 31, 375402.
        文章链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6528/ab9863
        [4] Jingying Luo, Xiaoxia Bai, Qiang Li, Xin Yu, Chunyuan Li, Zhenni Wang, Weiwei Wu, Yanping Liang, Zhenhuan Zhao and Hong Liu, Band structure engineering of bioinspired Fe doped SrMoO4 for enhanced photocatalytic nitrogen reduction performance, Nano Energy 2019, 66, 104187.
         文章链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2211285519308948
           文章来源：西安电子科技大学