高鹏教授团队在《Applied Catalysis B: Environmental》发表铋基催化剂用于光电化学固氮的研究进展

近日，我院高鹏团队叶伟博士与中国科技大学熊宇杰教授，苏州大学孙中体博士等团队合作，在光电化学氨合成反应中取得重要进展。该团队通过合成新型的硼掺杂铋纳米卷结构用于光电化学氨合成，在酸性电解液表现出优异的固氮性能，相关成果以“Boron Doping and High Curvature in Bi Nanorolls for Promoting Photoelectrochemical Nitrogen Fixation”为题，被国际著名期刊《Applied Catalysis B: Environmental》接收（最新影响因子：16.68）。

氨是一种重要的化工原料，可以用来生产农用化肥、含氮药物以及高分子材料，同时氨也被认为是一种潜在的氢存储载体。然而，氮气分子非常稳定，其N≡N的键能高达940.75kJ/mol，因此如何实现N₂分子的活化并实现高效的NH₃合成是一个非常重要的课题。现阶段工业氨合成采用的是“Haber-Bosch”法，该方法需要在高温高压条件下进行，造成了非常巨大的能源消耗以及严重的环境污染问题。

图1.（A）光阴极催化剂的主要设计思路，（B）光电化学固氮性能，（C）氨的同位素标记。

      有鉴于此，该团队设计了一种新型光电化学固氮方法，利用光阳极半导体产生的光生电子驱动阴极的N2还原反应。该设计可以高效利用太阳能用来合成氨，且该反应是在常温常压条件下进行，解决了现有Haber法高耗能、高污染问题。该团队发现，层状溴氧铋在强还原剂（NaBH4）作用下，溴氧铋单层拓扑转化成Bi纳米卷并实现原位B元素掺杂。将该催化剂用于氨合成光阴极，在0.05 M H2SO4溶液和0.48 V的偏压下，氨生成速率是29.2 mgNH3 gcat.-1 h-1，法拉第效率达到了8.3%。结合理论计算发现，B元素的掺杂显著降低了铋催化剂氮还原的决速步N2 → *NNH的活化能。同时，卷曲结构促进了N2分子在催化剂表面的吸附、活化并抑制了竞争性的氢析出反应，提高了整个催化剂固氮的活性和法拉第效率。该工作为今后光电化学固氮催化剂的设计提供了一种新的思路。

  材化学院2018级研究生许傅春为论文第一作者，叶伟博士、高鹏教授、中国科技大学熊宇杰教授、苏州大学孙中体博士为共同通讯作者，杭师大为第一通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金的资助。