記者從中國科學技術大學獲悉，該校熊宇杰教授團隊，通過金屬氧化物光催化劑的缺陷工程調控，發現通過摻雜的方式來精修催化劑的缺陷態，可以促進缺陷位點對氮分子的高效活化，有效地提高光催化固氮合成氨的效率。該成果日前在線發表于化學重要期刊《美國化學會志》上。
工業合成氨技術使用鐵基催化劑，其反應條件非常苛刻(250大氣壓、400攝氏度)，并需要巨大的能耗。光催化技術能夠直接將太陽能轉化為化學能，為降低合成氨能耗提供了非常具有前景的方法。由于氮分子穩定的化學特性，從而導致常規的光催化材料很難活化氮分子，開發高效的固氮合成氨光催化劑依然面臨巨大挑戰。
氮分子活化一般被認為是氮還原的先決條件。對于光催化材料，表面缺陷位點可以作為氮分子化學吸附的活性位點，同時局域在缺陷處的電子可以轉移進入吸附氮分子的反鍵π軌道，從而實現對氮—氮叁鍵的弱化作用。
科研人員將鉬原子摻雜在催化劑的缺陷位點處，實現了光催化體系中氮分子的高效活化。研究人員結合同步輻射技術表征、原位紅外光譜檢測和理論計算模擬，揭示了摻雜鉬原子對缺陷狀態的精修作用。一方面，鉬摻雜提升了催化劑缺陷能級，減少了電子能量馳豫過程帶來的能量損耗;另一方面，鉬摻雜形成的鉬—鎢異質位點調控了吸附氮分子的電荷狀態，增大了氮原子之間的電荷差，同時提高了金屬—氧鍵的共價性，促進了光生電子轉移過程。這些鉬摻雜帶來的不同效應之間的協同作用，有效地促進了催化位點對氮分子的活化，實現了催化劑光驅動固氮合成氨效率的大幅提升。
該成果為開發高效的固氮光催化劑以及調控催化劑缺陷提供了一種新的思路,并展示了催化位點電子結構的調控對催化反應的重要性。
