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2020年6月12日，化学领域顶尖期刊《美国化学会志》（  Journal of the American Chemical Society ）在线发表了环境科学与工程学院刘文研究员与首都师范大学合作的最新研究成果“Visible Light-Driven Nitrogen Fixation Catalyzed by Bi5O7Br Nanostructures: Enhanced Performance by Oxygen Vacan-cies”。刘文研究员为共同通讯作者之一，北京大学环境科学与工程学院、教育部水沙科学重点实验室和北京市工程科学与新兴技术高精尖创新中心为通讯署名单位。

自诺贝尔奖获奖成果Haber-Bosch法发现以来，工业合成氨技术以都以铁基催化剂的该法为主，其反应条件非常苛刻（250大气压、400 ℃），并需要巨大的能耗。而光催化技术能够直接将太阳能转化为化学能，为降低合成氨能耗提供了一种非常具有前景的途径。本研究通过温和的方法合成了一系列Bi₅O₇Br纳米材料，对低温热处理工艺及其光催化固氮活性进行了评价和比较，光谱测试表明，40 ℃下制备的管状Bi₅O₇Br样品（Bi₅O₇Br-40）具有最高的电子转移速率，在可见光照射下产生大量的O2-自由基和氧空位，在30分钟的光照下达到12.72 12.72 mM∙g^-1∙h^-1的光催化固氮速率。此外，研究采用同步辐射光源对反应动力学进行了原位红外测量，分析了暗处和光照下信号的瞬态差异，通过密度泛函理论（DFT）计算，进一步证实了固氮反应的机理，通过建立富氧模型和缺氧模型，对固氮反应能进行了定量估算和比较，其中氧空位浓度的变化对固氮性能起着至关重要的作用。研究结果表明，具有丰富氧空位的Bi₅O₇Br可以作为高性能的光催化剂用于固氮。该研究工作所合成的高效固氮光催化剂为太阳光驱动的光催化固氮提供了重要借鉴。

图1  不同条件下氨形成原位红外图谱响应

《美国化学会志》为化学领域的老牌高水平期刊，影响因子14.695（Journal Citation Reports® 2019），由美国化学协会（ACS）创办于1879年，至今已经有140多年历史，是美国化学学会的旗舰刊物，在业界有极高的声誉。该项研究受到国家自然科学基金（No. 21906001等）以及首都师范大学科技创新服务能力建设等项目的资助。

图2  不同氧空位浓度的Bi₅O₇Br光催化固氮能量演化趋势理论计算结果

论文第一作者为首都师范大学2017级硕士生李沛珅，为刘文研究员和首都师范大学王强教授共同指导，主要从事纳米材料的合成及其对水中污染物降解性能研究。论文的合作者还包括美国加州大学圣克鲁兹分校的Shaowei Chen教授和中国科学技术大学的熊宇杰教授。