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新材料学院发现光照将氮气同时生成氨和硝酸根的催化材料和机理
日期:2020-06-17 14:08:56 来源:新材料学院 点击:
  氨和硝酸盐在农业和化学合成中具有重要的作用。目前氨主要使用传统的哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺进行生产,该过程消耗了全球约2%的能源,排放约1%的温室气体。同时在使用NH3生产硝酸时还需要消耗额外的能源。而在常温常压下,使用太阳能、水和催化剂进行氮的固定展现出了巨大的潜力。当前,有很多关于光催化固氮的报到,但是产物是多是NH4+或NO3-,而同时形成NH4+和NO3-的报道却很少。
  近日,新时代赌场亚洲最佳新材料学院潘锋教授领导的清洁能源中心研究团队成功合成了一种W18O49纳米线光催化剂,它可以在常温常压下通过还原和氧化两种反应途径,同时产生NH4+或NO3-,实现氮的固定。经过采用不同单色光进行光催化固氮实验,发现了W18O49纳米线的表面缺陷在光催化固氮过程中对光波长依赖的机制。研究发现W18O49纳米线的氧空位不仅可以促进N2的活化和解离,还可以提高了光吸收性能,光激发载流子的分离能力。在模拟太阳光照下可以在纯水中同时产生NH4+和NO3-,甚至在波长730 nm仍可以产生固氮效果,而在365 nm时最大量子效率达到9%。该工作近日以题为 “Wavelength-Dependent Solar N2 Fixation into Ammonia and Nitrate in Pure Water”的研究文章发表在Research (Science Partner Journal (SPJ) program)期刊上 (Research, 2020, doi.org/10.34133/2020/3750314)。
图1 光催化固氮产生氨和硝酸根的反应机制
  同时该研究表明,N2分子在光催化固氮过程中的歧化反应比单纯的还原或氧化反应具有更大的能量优势。值得注意的是,NH4+与总产物(NH4+和NO3-)的摩尔比在波长365 nm到730 nm之间呈倒火山状。NO3-所占的比率从波长365 nm到427 nm间的增加是由于无氧空位W位点的析氧反应(OER)和氧空位处的N2氧化反应(NOR)之间的竞争造成的,后者是由本征离域光激发空穴驱动的。从427 nm到730 nm间NO3-所占的比率的下降,主要是因为 NOR由于其比OER更高的平衡电位而在能量上受到限制,同时伴有氧空位上的局域光激发空穴。在427 nm 到515 nm的波长范围内,固氮反应则出现了完全歧化。本工作为光激发载流子的利用,设计并优化实用的固氮光催化剂提出了一种合理的策略。
  本工作由新材料学院潘锋教授指导完成,该论文共同第一作者为任文举博士、梅宗维博士、郑世胜和李舜宁博士,潘锋教授为通信作者。该工作得到了国家材料基因工程重点研发计划和深圳市科技创新委员会等项目的大力支持。
文章链接:https://spj.sciencemag.org/research/2020/3750314/
专题报道
2019
11月
25
2019-11-25376
梁威,新时代赌场亚洲最佳亚洲中国最佳新时代2006级电子通讯工程硕士。2009年毕业后回长沙创办博为软件技术股份有限公司(下称“博为软件”)。现为博为软件董事长,博为101数据采集引擎研发创始人,广州大学华软学院客座教授、创新创业导师。
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