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半导体光催化固氮合成氨降低环境污染危害

导读: 作为反应原料,天然气也是人类社会可持续发展赖以生存的重要能源,同时大量反应产物包括温室气体的排放也会威胁地球环境。因此,改进传统的工业固氮技术,寻求高效、低耗、清洁的固氮合成氨方法已成为近几年的研究热点。

【引语】

一百多年以来,“哈伯-博施”(Haber-Bosch)固氮法作为工业上应用最为广泛的合成氨工艺,为社会发展和科技进步作出了巨大贡献。然而,此工艺需要严苛的反应条件,为实现反应所需要的高温高压环境每年都会对全球能源产生巨大的耗费。作为反应原料,天然气也是人类社会可持续发展赖以生存的重要能源,同时大量反应产物包括温室气体的排放也会威胁地球环境。因此,改进传统的工业固氮技术,寻求高效、低耗、清洁的固氮合成氨方法已成为近几年的研究热点。近年来,半导体光催化实现还原氮气、制备氨气因其高效清洁而引起全世界的极大关注。近日,Materials Horizons期刊在线发表了由武汉理工大学李能教授与新加坡A*STAR的Wee-Jun Ong博士(共同通讯作者)撰写的综述论文 “Photocatalytic Fixation of Nitrogen to Ammonia: State-of-the-Art Advancement and Future Prospects”。论文的第一作者是武汉理工大学博士一年级学生陈星竹。文章对半导体及其复合结构光催化固氮产氨进行了系统的总结概括,并对未来研究方向进行了探讨和展望。

一、 N2光催化转化概述

N2分子由于氮氮三键相对稳定难以解离,表现为化学反应惰性,且其质子亲和能力很差,使得电子传输和Lewis酸碱反应受阻。此外,N2分子最高占据轨道(HOMO)和最低占据轨道(LUMO)之间存在较大的能隙(10.82eV),也引起氮气反应困难。图1展示了在半导体光催化的作用下,N2分子被光催化材料捕获进而被还原实现N2→NH3的转化。

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图1 光催化固氮合成氨机理概述图

二、光催化固氮的分类

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图2. 各种半导体光催化固氮体系概述图

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图3. 五种N2的光催化转化路径

在这篇综述中,作者以催化剂的化合物成分为分类标准,将报道的催化剂分为金属氧化物、金属硫化物、氧卤化铋、碳系化合物和其他化合物等几类,并对所涉及的每种分类进行了详细介绍。图2和3展示各类半导体光催化剂以及光催化固氮合成氨的五种典型的反应路径。

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