【產(chǎn)通社，5月16日訊】中國(guó)科學(xué)院（Chinese Academy of Sciences）官網(wǎng)消息，深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料所（籌）材料界面研究中心王佳宏、喻學(xué)鋒等在常溫常壓高效固氮領(lǐng)域取得新進(jìn)展，開發(fā)出具有優(yōu)異的光電協(xié)同固氮合成氨性能的黑磷光電極。相關(guān)工作以Photoelectrochemical Synthesis of Ammonia with Black Phosphorus（《黑磷的光電化學(xué)合成氨研究》）為題發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Function Materials，DOI:10.1002/adfm.202002731），并被選為雜志封底故事。副研究員王佳宏和研究員喻學(xué)鋒是該文通訊作者，助理研究員劉丹妮是該文第一作者。

氨是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的化學(xué)原料，也是一種新型的富氫能源載體。目前氨的合成主要通過Haber-Bosch法在高溫高壓下(350-550℃,150-350 atm)進(jìn)行，耗能較高并伴隨著大量的溫室氣體排放。因此，綠色環(huán)保的以氮?dú)夂退疄樵系某爻汗痰铣砂奔夹g(shù)獲得了廣泛關(guān)注。融合了電催化和光催化過程的光電化學(xué)技術(shù)則為常溫常壓固氮合成氨提供一個(gè)更加高效的技術(shù)平臺(tái)。黑磷作為一種二維直接帶隙半導(dǎo)體，具有光響應(yīng)范圍廣、載流子遷移率高、邊緣活性位點(diǎn)豐富和氫吸附較弱等眾多優(yōu)點(diǎn)，在光電協(xié)同固氮合成氨方面展現(xiàn)出極大的潛力。

在本項(xiàng)研究中，課題組將電化學(xué)插層剝離得到的高質(zhì)量黑磷微片通過一種新型的旋涂-快蒸技術(shù)在導(dǎo)電基底上組裝成固氮光電極。在氮?dú)怙柡偷乃嵝噪娊庖褐�，黑磷表現(xiàn)出較好的電催化固氮合成氨性能（24.1 μg/h/mgcat，法拉第效率5.5%）。而在光電協(xié)同作用下，黑磷光電極的產(chǎn)氨率和法拉第效率均有大幅提升，分別達(dá)到102.4μg/h/mgcat和23.3%，是同類非金屬固氮催化劑中獲得的最好紀(jì)錄。研究團(tuán)隊(duì)在進(jìn)一步研究中，通過定量同位素標(biāo)記驗(yàn)證了氮元素來源、排除了雜質(zhì)干擾；通過光電化學(xué)Mott-Schottky譜研究證明光激發(fā)提升了黑磷光電極的平帶電位、促進(jìn)了電極表面的電化學(xué)過程；此外，反應(yīng)系統(tǒng)中的陰極電場(chǎng)和惰性環(huán)境也有助于界面電荷分離，能有效保護(hù)黑磷光電極免于氧化，使其在光電固氮過程中呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

該研究工作揭示了黑磷優(yōu)異的光電固氮性能及機(jī)理，拓展了黑磷在異相催化領(lǐng)域的應(yīng)用；光電協(xié)同催化呈現(xiàn)的一加一大于二的效果也為常溫常壓固氮合成氨的發(fā)展提供了新思路。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃等的支持。

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