半导体光催化固氮：从实验室到工业应用的新突破

半导体光催化固氮：从实验室到工业应用的新突破

引用

国家自然科学基金委员会

等

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来源

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一百多年来，"哈伯-博施"固氮法一直是工业合成氨的主要工艺，为全球农业和工业发展做出了巨大贡献。然而，这一传统方法面临着严重的能源消耗和环境污染问题。据统计，每年采用哈伯法制备氨气所消耗的能量约占世界年度总能耗的1-2%，同时产生大量温室气体，占全球温室气体年度排放总量的1.5%。

在这一背景下，半导体光催化固氮技术因其高效、清洁的特点，近年来引起了全球科研界的广泛关注。武汉理工大学李能教授团队在《Materials Horizons》期刊上发表的综述论文《Photocatalytic Fixation of Nitrogen to Ammonia: State-of-the-Art Advancement and Future Prospects》，系统总结了半导体光催化固氮合成氨的最新研究进展，为这一领域的未来发展提供了重要参考。

半导体光催化固氮技术的核心是在光的照射下，利用半导体材料捕获氮气分子并将其还原为氨气。这一过程涉及多个关键步骤：

1. 光吸收与激发：半导体材料吸收光能，激发电子从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。

2. 氮气吸附：氮气分子被吸附到半导体表面，这一过程是整个反应的瓶颈之一。

3. 氮气活化与还原：吸附的氮气分子在催化剂表面发生解离，最终被还原为氨气。

相比传统的哈伯法，半导体光催化固氮技术具有显著优势：

• 温和条件：反应在常温常压下进行，无需苛刻的反应条件。
• 清洁能源：利用太阳能作为能源，实现绿色生产。
• 直接利用空气：可以使用空气中的氮气作为原料，无需纯化。

然而，这一技术也面临重大挑战：

• 催化效率低：目前的产率远低于工业应用需求。
• 氮气活化困难：氮气分子的三键结构使其难以被活化。
• 选择性问题：如何提高氨气的选择性，避免副反应。

李能教授团队的综述文章详细介绍了各类半导体光催化剂的研究进展：

1. 金属氧化物：如TiO2，具有良好的光催化性能，但光响应范围有限。

2. 金属硫化物：如CdS，具有较宽的光响应范围，但稳定性较差。

3. 氧卤化铋：如BiVO4，具有较高的光催化活性和稳定性。

4. 碳系化合物：如石墨烯，具有优异的电子传输性能。

研究团队还探讨了多种提升催化性能的方法，包括掺杂、引入空位、等离子共振、表面裁剪和异质结组装等。这些方法可以有效提高催化剂的活性和选择性。

尽管半导体光催化固氮技术仍处于研究阶段，但其潜在的应用前景十分广阔。随着研究的深入，未来有望实现以下突破：

• 提高催化效率：通过优化催化剂结构和反应条件，提高氨气产率。
• 拓宽光响应范围：开发新型光催化剂，实现对太阳光的全谱吸收。
• 降低副反应：通过精确调控反应条件，提高氨气的选择性。

这一技术的成熟将为工业合成氨带来革命性的变化，不仅能够大幅降低能源消耗和温室气体排放，还有望推动绿色能源和可持续发展进程。

正如李能教授团队在综述中指出的，虽然目前还面临诸多挑战，但半导体光催化固氮技术的前景令人期待。随着科研人员的不懈努力，这一技术有望在不久的将来实现工业化应用，为解决全球能源和环境问题提供新的解决方案。