元素百科为您介绍中国科学院理化研究所高效可见光合成氨研究的进展。氨是重要的无机化工产品之一，合成氨工业在国民经济中占有重要地位。液氨可直接用作化肥，农业中使用的氮肥，如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵和各种含氮复合肥，均以氨为原料。合成氨是大宗化工产品之一。世界合成氨年产量超过1亿吨，约80%用于化肥，20%用于其他化工产品。同时，所有生物体都需要氮来建立蛋白质、核酸和许多其他生物分子。
氮气约占地球气体的78％，但由于N-N共价三键高的电离能导致其非常稳定，因此不能被大多数生物直接吸收。N2通过经典的Haber-Bosch工艺固定在NH3上，必须在铁基催化剂存在的条件下，在恶劣的反应条件下(15-25 MPa，300-550℃）。需要消耗世界能源供应的1-2提供反应条件％，二氧化碳每年产生2.3吨左右。目前，NH3合成原料氢主要来自甲烷的重组，每年约消耗世界天然气产量的3-5％，释放大量氧化碳。
鉴于化石燃料短缺和全球气候变化，通过减少能源需求过程的固氮是一个具有挑战性和长期的目标。利用太阳能光催化技术将太阳能转化为化学能被认为是解决未来可再生能源问题的最佳途径之一。
二维纳米材料以其独特的层压板结构和大比例暴露活性等优点，在光电催化方面表现出优越的性能，引起了科研人员的广泛关注。层状双氢氧化物(水滑石，LDH）由于其层板由多种成分组成，层板厚度可调等优点，在催化方面表现出可调性。通过简单的共沉淀方法，中国科学院理化技术研究所研究员张铁锐团队制备了一系列MIMIIIIII-LDH（MII=Mg，Zn，Ni，Cu；MIII=Al，Cr）光催化剂纳米片。X射线吸收精细结构、低温电子顺磁共振和正电子湮灭寿命测量表明，由于富氧缺陷、结构变形和压缩应变，超薄LDH纳米片增强了N2分子的吸附和光生电子从LDH光催化剂转移到N2，促进了NH3的有效合成（特别是Cucr-LDH纳米片，量子产量仍可达到500nm0.10％）。研究表明，在常温常压、可见光或直接太阳辐射下，将N2还原为基于LDH的NH3是一种极具潜力和希望的新途径。
研究结果发表在先进材料上，相关研究工作得到科技部国家重点基础研究计划、国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金项目、国家自然科学基金委员会青年基金项目、国家万人计划-青年顶尖人才支持计划、中国科学院战略试点技术专项（B类）支持。
