氨和硝酸盐在农业和化学合成中具有重要的作用。目前氨主要使用传统的哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺进行生产，该过程消耗了全球约2%的能源，排放约1%的温室气体。同时在使用NH₃生产硝酸时还需要消耗额外的能源。而在常温常压下，使用太阳能、水和催化剂进行氮的固定展现出了巨大的潜力。当前，有很多关于光催化固氮的报道，但是产物多是NH₄⁺或NO₃^-，而同时形成NH₄⁺和NO₃^-的报道却很少。

近日，北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授领导的清洁能源中心研究团队成功合成了一种W₁₈O₄₉纳米线光催化剂，它可以在常温常压下通过还原和氧化两种反应途径，同时产生NH₄⁺或NO₃^-，实现氮的固定。经过采用不同单色光进行光催化固氮实验，研究团队发现了W₁₈O₄₉纳米线的表面缺陷在光催化固氮过程中对光波长依赖的机制。研究发现W₁₈O₄₉纳米线的氧空位不仅可以促进N₂的活化和解离，还可以提高光吸收性能、光激发载流子的分离能力。在模拟太阳光照下可以在纯水中同时产生NH₄⁺和NO₃^-，甚至在波长730 nm仍可以产生固氮效果，而在365 nm时最大量子效率达到9%。该成果以“Wavelength-Dependent Solar N2 Fixation into Ammonia andNitrate in Pure Water”为题，近日发表在Research [Science Partner Journal （SPJ）program] 期刊上（Research, 2020, doi.org/10.34133/2020/3750314）。

光催化固氮产生氨和硝酸根的反应机制

同时该研究表明，N₂分子在光催化固氮过程中的歧化反应比单纯的还原或氧化反应具有更大的能量优势。值得注意的是，NH₄⁺与总产物（NH₄⁺和NO₃^-)的摩尔比在波长365 nm到730 nm之间呈倒火山状。NO₃^-所占的比率从波长365 nm到427 nm间的增加是由于无氧空位W位点的析氧反应(OER)和氧空位处的N₂氧化反应(NOR)之间的竞争造成的，后者是由本征离域光激发空穴驱动的。从427 nm到730 nm间NO₃^-所占的比率的下降，主要是因为 NOR由于其比OER更高的平衡电位而在能量上受到限制，同时伴有氧空位上的局域光激发空穴。在427 nm 到515 nm的波长范围内，固氮反应则出现了完全歧化。本工作为光激发载流子的利用、设计并优化实用的固氮光催化剂提出了一种合理的策略。

本工作由潘锋指导完成，该论文共同第一作者为任文举博士、梅宗维博士、郑世胜和李舜宁博士，潘锋为通讯作者。该工作得到了国家材料基因工程重点研发计划和深圳市科技创新委员会等项目的大力支持。