高效氮化碳催化剂 实现光催化循环固氮产氨

记者从中科院合肥研究院固体所获悉，该所环境与能源纳米材料中心科研人员合成了钾离子和氰基修饰的氮化碳纳米带作为模型催化剂，发现氰基在固氮反应中参与了还原反应并能够再生，形成了固氮产氨循环。研究成果以全文形式日前发表在国际知名期刊《德国应用化学》上。
氨(NH3)是农业和化学工业中必不可少的化工产品之一。并且由于其氢含量高、液化压力低、运输安全等优点，使其成为氢能的理想载体。大气中氮气约占78%，总量非常高，取之不尽、用之不竭。但其分子的固有化学惰性使氮气很难转化为氨。目前的合成氨工业还是依赖于高能耗和密集排放型的哈伯—博施法。近年来，为了寻求高能源利用效率和低排放的人工合成氨新技术，科研人员进行了大量的研究。其中，光催化固氮合成氨技术由于其能够利用太阳能，条件温和并且低排放等优点受到越来越多的关注。其中，氰基修饰氮化碳作为一类典型的二维非金属半导体光催化剂，具有成本低、物理化学性质稳定、元素来源丰富、易于大量合成等优势已成为固氮光催化剂领域的研究热点。
该课题组合成了钾离子和活性氰基修饰的氮化碳纳米带作为模型光催化剂，在可见光条件下，光催化合成氨速率达到3.42mmol g-1 h-1。一系列对比实验结果表明：边缘氰基活性位点上的氮原子首先通过光催化加氢还原合成了氨分子，剩下的不饱和碳原子在钾离子的协助下能够吸附氮分子与邻近的碳氮杂环构建出一个C2N4环，最终与质子耦合光生电子进行反应合成第二个氨分子，并且重新生成氰基基团。研究结果表明，氰基的再生不仅保证了氮气合成氨的催化循环，有效提升了光催化固氮效率，而且能够稳定该光催化剂材料。