Advanced Functional Materials:二维黑磷助力,光电固氮产氨

氨是工农业生产中重要的化学原料,也是一种新型的富氢能源载体。目前氨的合成主要通过Haber-Bosch法在高温高压下(350-550℃,150-350 atm)进行,耗能较高并伴随着大量的温室气体排放。因此,绿色环保的以氮气和水为原料的常温常压固氮技术获得了广泛关注。融合了电催化和光催化过程的光电化学技术则为常温常压固氮提供一个更加高效的技术平台。黑磷作为一种二维直接带隙半导体,具有光响应范围广、载流子迁移率高、边缘活性位点丰富、和氢吸附较弱等众多优点,在光电协同固氮方面展现出极大的潜力。

中国科学院深圳先进技术研究院(中科院深圳先进院)王佳宏副研究员与喻学锋研究员团队以电化学剥离得到的高质量黑磷微片为基础,在导电基底上组装成固氮光电极。黑磷在氮气饱和的酸性电解液中表现出较好的电催化固氮合成氨性能(24.1 μg/h/mgcat,法拉第效率5.5%)。而在光电协同作用下,其产氨率和法拉第效率均有大幅提升,分别达到102.4 μg/h/mgcat和23.3%,是同类非金属固氮催化剂中获得的最好纪录。研究团队在进一步研究中,通过定量同位素标记验证了氮元素来源、排除了杂质干扰;通过光电化学Mott-Schottky谱研究证明光激发提升了黑磷光电极的平带电位、促进了电极表面的电化学过程;此外,反应系统中的阴极电场和惰性环境也有助于界面电荷分离、能有效保护黑磷光电极免于氧化,使其在光电固氮过程中呈现出良好的稳定性。该工作揭示了黑磷优异的光电固氮性能,对相关机理进行了阐释,拓展了黑磷在异相催化领域的应用。

研究者相信,此项研究中光电协同催化呈现的一加一大于二的效果将会为常温常压固氮合成氨打开一扇窗。而且对黑磷等容易被光激发的窄带隙半导体电催化剂的性能提升也提供了新的思路。此外,磷氮同族,研究者相信含第五主族元素的化合物在合成氨领域也许会有不凡之处。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202002731)上,并于当期Back Cover做简要介绍。

相关工作得到了国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、中国科学院前沿科学重点研究计划等项目的资助。