高效氮化碳催化劑 實現光催化循環固氮產氨

2020-12-05 央視網

　　記者從中科院合肥研究院固體所獲悉，該所環境與能源納米材料中心科研人員合成了鉀離子和氰基修飾的氮化碳納米帶作為模型催化劑，發現氰基在固氮反應中參與了還原反應並能夠再生，形成了固氮產氨循環。研究成果以全文形式日前發表在國際知名期刊《德國應用化學》上。

　　氨（NH3）是農業和化學工業中必不可少的化工產品之一。並且由於其氫含量高、液化壓力低、運輸安全等優點，使其成為氫能的理想載體。大氣中氮氣約佔78%，總量非常高，取之不盡、用之不竭。但其分子的固有化學惰性使氮氣很難轉化為氨。目前的合成氨工業還是依賴於高能耗和密集排放型的哈伯—博施法。近年來，為了尋求高能源利用效率和低排放的人工合成氨新技術，科研人員進行了大量的研究。其中，光催化固氮合成氨技術由於其能夠利用太陽能，條件溫和並且低排放等優點受到越來越多的關注。其中，氰基修飾氮化碳作為一類典型的二維非金屬半導體光催化劑，具有成本低、物理化學性質穩定、元素來源豐富、易於大量合成等優勢已成為固氮光催化劑領域的研究熱點。

　　該課題組合成了鉀離子和活性氰基修飾的氮化碳納米帶作為模型光催化劑，在可見光條件下，光催化合成氨速率達到3.42mmol g-1 h-1。一系列對比實驗結果表明：邊緣氰基活性位點上的氮原子首先通過光催化加氫還原合成了氨分子，剩下的不飽和碳原子在鉀離子的協助下能夠吸附氮分子與鄰近的碳氮雜環構建出一個C2N4環，最終與質子耦合光生電子進行反應合成第二個氨分子，並且重新生成氰基基團。研究結果表明，氰基的再生不僅保證了氮氣合成氨的催化循環，有效提升了光催化固氮效率，而且能夠穩定該光催化劑材料。（記者 吳長鋒）

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