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理化所高效可见光合成氨研究取得新进展

发表日期: 2017-10-11
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LDH超薄纳米片光催化合成氨示意图

  氨是重要的无机化工产品之一,合成氨工业在国民经济中占有重要地位。液氨可直接用作化肥,农业上使用的氮肥如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥,都以氨为原料。合成氨是大宗化工产品之一,世界每年合成氨产量已达1亿吨以上,其中约80%用于化学肥料,20%用作其它化工产品的原料。同时,所有生物体都需要氮元素来建立蛋白质、核酸和许多其他生物分子。  

  虽然氮气约占地球气体的78%,但它不能被大多数生物直接吸收,主要因为N-N共价三键高的电离能导致其十分稳定。通过经典的Haber-Bosch工艺将N2固定在NH3上必须在铁基催化剂存在的条件下,在苛刻的反应条件下进行(15-25 MPa300-550℃)。提供反应条件需消耗世界能源供应的1-2%,每年约产生2.3吨二氧化碳。目前,用于NH3合成的原料氢气主要来自甲烷的重整,每年约消耗世界天然气产量的3-5%,并释放出大量的氧化碳。 

  鉴于化石燃料短缺和全球气候变化,通过减少能源需求过程的固氮是一项具有挑战性和长期性的目标。利用太阳能光催化技术将太阳能转化为化学能,已被认为是解决未来可再生能源的最佳途径之一。 

  二维纳米材料因其独特的层板结构,大比例暴露活性位等优势,在光电催化方面展现了优越的性能,引起科研人员的广泛关注。层状双氢氧化物(水滑石,LDH)因其层板由多种组分构成、层板厚度可调等优势,在催化方面展现了极强的可调控性。中科院理化所张铁锐研究员团队通过简单的共沉淀方法成功制备了一系列MIIMIII-LDHMII=MgZnNiCu;MIII=AlCr)纳米片光催化剂。X射线吸收精细结构,低温电子顺磁共振和正电子湮灭寿命测量表明,超薄LDH纳米片由于富氧缺陷,结构形变和压缩应变,增强了对N2分子的吸附和光生电子从LDH光催化剂转移到N2,从而促进了NH3的有效合成(特别是CuCr-LDH纳米片,其在500nm处量子产率仍能达到0.10%)。这项研究工作显示,在常温常压和可见光或直接太阳辐射下,基于LDHN2还原成NH3是一种极其有潜力和希望的新途径。 

  相关研究结果发表在国际材料领域顶级期刊《先进材料》(“Layered double hydroxide nanosheets as efficient visible-light-driven photocatalysts for dinitrogen fixation, Adv. Mater., 2017, 1703828)。 

  相关研究工作得到了科技部国家重点基础研究计划、国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目、国家自然科学基金委青年基金项目、国家万人计划-青年拔尖人才支持计划、中国科学院战略性先导科技专项(B类)项目的大力支持。

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