记者从中国科技大学获悉，熊玉杰教授团队通过金属氧化物光催化剂缺陷工程控制，发现催化剂缺陷状态混合，可促进氮分子缺陷位点的有效激活，有效提高光催化固氮合成氨的效率。该结果最近在重要的国际化学期刊《美国化学协会》上发表。
铁基催化剂用于工业合成氨技术，其反应条件非常恶劣(250大气压，400摄氏度)，需要巨大的能耗。光催化技术可以直接将太阳能转化为化学能，为降低合成氨能耗提供了非常有前途的方法。由于氮分子稳定的化学特性，常规光催化材料难以激活氮分子，开发高效的固氮合成氨催化剂仍面临巨大挑战。
氮分子活化通常被认为是氮还原的先决条件。对于光催化材料，表面缺陷位点可作为氮分子化学吸附的活性位点，局部缺陷处的电子可转移到吸附氮分子的反键位置π轨道可以弱化氮-氮三键。
研究人员将钼原子混合到催化剂的缺陷点，实现了光催化系统中氮分子的有效活化。结合同步辐射技术表征、原位红外光谱检测和理论计算模拟，研究人员揭示了钼原子掺杂对缺陷状态的精细作用。一方面，钼掺杂提高了催化剂缺陷能量水平，减少了电子能量过程造成的能量损失；另一方面，钼掺杂形成的钼钨异质位点调节了吸附氮分子的电荷状态，增加了氮原子之间的电荷差，提高了金属氧键的共价，促进了光生电子转移过程。钼掺杂带来的不同效应之间的协同作用有效地促进了催化位点对氮分子的激活，大大提高了催化剂光驱动固氮合成氨的效率。
该结果为开发高效的固氮光催化剂和调节催化剂缺陷提供了新的思路，并显示了催化点电子结构调节对催化反应的重要性。
