南理工狄俊、姜炜/南洋理工刘政AM：极化位点对调控促进光催化固氮性能

氨是生产化肥的重要资源，也是主要的工业化学品原料。目前，氨主要通过哈珀法在高温高压下进行生产。据统计，平均每生产一吨氨，排放约1.9吨二氧化碳气体。大量排放的温室气体严重制约了双碳目标的顺利实现。通过半导体光催化技术，可以在温和条件下将惰性的氮气分子还原为氨。

光催化固氮反应过程中，较低的电荷分离效率和N₂分子难以在催化剂表面吸附活化是制约其光催化效率的两个关键因素。近日，南京理工大学姜炜教授、狄俊教授团队联合新加坡南洋理工大学刘政教授在国际材料领域顶级期刊Advanced Materials 上发表研究论文，通过在二维Bi₂₄O₃₁Br₁₀原子层中引入孤立Cu位点，形成双金属极化位点对，促进局域电荷分离及N-N键连续活化，从而提升光催化固氮性能。南京理工大学为第一完成单位和通讯单位。狄俊教授为论文的第一作者，南洋理工大学陈超博士、吴尧博士为论文的共同第一作者。南京理工大学狄俊、姜炜教授和南洋理工大学刘政教授分别为本文通讯作者。

图1. Cu-Bi₂₄O₃₁Br₁₀材料的表面原子结构表征。

首先，本文开发了一种通用的原子层限域掺杂策略来制备各种孤立金属原子（Cu、Fe、Co、Ni等）掺杂的 Bi₂₄O₃₁Br₁₀材料。研究发现，沿着 Cu-O-Bi 原子界面可以产生局部极化，保证了更好的电子离域，从而可以有效活化 N₂分子。优化后的 Cu-Bi₂₄O₃₁Br₁₀原子层的光催化固氮活性分别是 Bi₂₄O₃₁Br₁₀原子层和块体 Bi₂₄O₃₁Br₁₀的5.3倍和88.2倍，纯水中的 NH₃生成速率达到291.1 µmol g^-1 h^-1。极化的 Cu-Bi 位点对可以增强催化剂表面与N₂分子之间的非共价相互作用，进而削弱 N-N键中的共价键级。因此，N₂分子逐步加氢途径可以从Bi₂₄O₃₁Br₁₀表面的远端连续加氢模式改变为Cu-Bi₂₄O₃₁Br₁₀表面的交替加氢模式。该策略为设计极化金属位点对或调整非共价相互作用和共价键级提供了一种可行的途径。

图2. 光催化固氮性能及电荷分离研究。

图3. 固氮反应过程及反应中间体作用力研究。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Polarized Cu–Bi Site Pairs for Non-Covalent to Covalent Interaction Tuning toward N₂ Photoreduction

Jun Di, Chao Chen, Yao Wu, Yunxuan Zhao, Chao Zhu, Yi Zhang, Changda Wang, Hailong Chen, Jun Xiong, Manzhang Xu, Jiexiang Xia, Jiadong Zhou, Yuxiang Weng, Li Song, Shuzhou Li, Wei Jiang, Zheng Liu 

Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202204959

作者介绍

狄俊，南京理工大学教授。2012和2018年于江苏大学获学士、博士学位。2016-2017年于南洋理工大学进行博士联合培养，2018-2022年于南洋理工大学进行博士后研究，合作导师刘政教授。2022年加入南京理工大学化学与化工学院。目前主要致力于二维材料用于光催化方面的研究。目前已发表一作/通讯(共同)论文60余篇，包括Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Mater. Today, Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等。引用9500余次，h-index为54，高引论文18篇。获2019年度江苏省优秀博士学位论文。2019-2021年入选斯坦福大学/Elsevier发表的当年“全球前2%科学家之一”，2021、2022年入选全球学者库公布的“全球顶尖前10万科学家排名”。担任Chinese Chemical Letters、Rare Metals青年编委。

姜炜，南京理工大学教授。南京理工大学科学与技术研究院副院长，国家特种超细粉体工程技术研究中心副主任。中组部“国家万人计划”科技创新领军人才，中央JW科技委国防科技卓越青年人才，国家创新人才推进计划中青年科技创新领军人才。主要承担国家高新工程四期专项、国家重点研发计划专题、国防科技创新特区计划等20余项科研项目。中央军委装备发展部某技术专业组成员，国防科工局某专项规划论证组成员，江苏省333高层次人才培养工程中青年科技创新领军人才，APM、《含能材料》等期刊编委。在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., JMCA, CEJ, Nanoscale等材料类国际权威期刊发表SCI收录论文100余篇。Elsevier中国高被引学者，英国皇家化学会“Top1%高被引中国学者”。

https://www.x-mol.com/groups/jiangwei 

刘政，南洋理工大学教授。新加坡材料学会讲席教授。2005 年获得南开大学学士学位，2010 年在中科院国家纳米中心获得博士学位，之后在Rice大学进行博士后研究。目前致力于二维材料的可控合成、性能及相关应用研究。迄今为止，刘政教授发表了 300 多篇论文，其中包括Nature, Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Chem, Nat. Phys., Nat. Catal., Nat. Electron., Nat. Synth., Nat. Commun.等系列期刊 42 篇，引用超过 45000 次，h-index 为99，高引论文36篇。2012年获得世界科技奖能源类最终提名。2013年获得新加坡国立基金会会士以及南洋助理教授头衔。2018年获得新加坡青年科学家奖，同年获得南洋理工大学青年研究奖，以及ICON-2DMAT青年科学家奖。2019年荣获新加坡材料学会讲席教授头衔，同年获得亚洲科学之星。2020年获得ACS Nano Rising Stars Lectureship Award。2018-2021年连续入选高引科学家名单。2021年获得Small青年科学家创新奖。

课题组主页：

https://www3.ntu.edu.sg/home/z.liu/index.html 

https://www.x-mol.com/university/faculty/69020