精确构筑石墨炔/四氧化三铁异质结界面用于高效光催化固氮

由于氮肥对世界经济不容置疑的重要影响，以及目前工业上合成氨方法存在的高能耗、重污染等问题，常温常压下高选择性、高效率固氮研究一直是科学家们关注的焦点。铁基催化剂因其在固氮过程中的关键作用而受到研究者们高度重视，然而近年来报道的铁基催化剂在固氮上并不能达到令人满意的反应选择性及氨产率。开发具有高选择性、高产氨效率以及高稳定性的固氮催化剂是解决该瓶颈问题的关键。

石墨炔独特的化学和电子结构，使其具有无限天然活性位点、大的比表面积、优异的空穴传输能力等优异性质，在光/电催化、太阳能电池、能源存储及转换等领域展现出天然优势。

中国科学院化学研究所李玉良院士（点击查看介绍）充分利用石墨炔这些独特性质，提出了“金属原子锚定-成核生长”的半导体异质结界面精准可控制备方法，实现了对四氧化三铁晶体结构和形貌的双重调控，高效改变了Fe原子的配位环境和价态，激发出材料优异的光催化活性，获得了常温、常压和光照下高选择性、高效率固氮的催化剂。该催化剂在光催化固氮中展现出了优异的催化性能，是首个报道的四氧化三铁类光催化制氨催化剂。

图1. 石墨炔/四氧化三铁制备过程图解。

基于该策略，通过简单的两步法即可得到石墨炔/四氧化三铁异质结。SEM、TEM、EXAFS以及Raman等测试结果显示，石墨炔能对四氧化三铁的形貌、Fe原子的配位环境进行有效调控，从而改变其分子构型，生成新的活性位点，同时实现了对催化剂催化性能的选择性调控，获得了在室温、常压、光照下具有100%选择性、超高的氨产率（1762.35 ± 153.71 h^-1 g_cat.^-1）和良好的循环稳定性的新型异质结催化剂。

图2. 石墨炔/四氧化三铁的晶体结构表征。

图3. GDY@Fe-A、GDY@Fe-B及相关对照样品的化学态表征。

图4. 石墨炔/四氧化三铁光催化固氮性能、能带分布及光响应能力表征。

该研究从全新的理念阐明了石墨炔对异质结界面结构的精准调控，高效调控催化反应的过程，获得高选择性、高效的催化剂。该工作为解决常温、常压、光照条件下高选择性、高效固氮提出了具有变革意义的材料和方法，充分体现了石墨炔在结构和性质上的巨大优势和广阔的科学研究空间。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的第一作者是中国科学院化学研究所博士研究生方言。

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Graphdiyne@Janus Magnetite for Photocatalysis Nitrogen Fixation

Yan Fang, Yurui Xue, Lan Hui, Huidi Yu, Yuliang Li

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202012357

导师介绍

李玉良

https://www.x-mol.com/university/faculty/15487