第一作者：Jingrun Ran

通訊作者：喬世璋教授

通訊單位：澳大利亞阿德萊德大學

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光催化N₂還原為氨是一種成本效益高、環境友好且高效的途徑，用于生成作為可運輸/可儲存能量載體和必需肥料的氨。最近，廣泛探索了錨定有各種原子級分散活性中心（ASACs）的光催化劑，如釕（Ru）、鐵（Fe）、金（Au）、鉑（Pt）、銅（Cu）、鉬（Mo）和鑭（La）等，在光催化N₂至氨的轉化中。

本綜述批判性地總結了當前在合成各種光催化劑載體（如金屬氧化物、碳氮化物、金屬有機框架和共價有機框架）上錨定上述ASACs以實現N₂還原合成氨的進展。

總結和介紹ASACs錨定光催化劑的合成路線、結構/組成特性和性能。此外，還介紹了這些ASACs錨定光催化劑的原子級結構/組成與性能之間的關系。包括反應動力學/熱力學、反應路徑和電荷載流子動力學在內的反應機理，特別是重點強調通過各種先進表征技術揭示的反應機理。

本綜述還概述了合成針對合成氨的新型光催化劑的基本原理。最后，介紹了ASACs錨定光催化劑在合成氨方面的當前挑戰、機遇和未來展望。

圖文導讀

圖1：ASACs錨定光催化劑在合成氨方面的成果時間線，說明了不同年份在該領域的進展。同時，圖1b和1c分別闡釋了光催化N₂還原至NH₃的反應機理，以及Ru ASACs結合TiO₂進行光催化N₂還原至NH₃的詳細機制。

圖2：通過Fe/H_xMoO_3-y復合材料的合成路線和光電流測量，展示了該復合材料在光催化合成NH₃中的活性和穩定性。不同重量比的Ru與MoO₃組合的光催化活性比較，突出了最優化的Fe含量對于提高光催化性能的重要性。

圖3：通過不同催化劑的光催化NH₃產率對比，以及Fe-4/WO_2.72-x的透射電子顯微鏡（TEM）和X射線吸收光譜（XANES）分析，揭示了Fe ASACs在WO_2.72-x表面的作用和對光催化性能的影響。

圖4：Al-PMOF(Fe)在不同氣氛下的光催化合成NH₃性能，以及與Al-PMOF相比的提升效果。循環測試表明了Al-PMOF(Fe)的穩定性，而元素分布和XANES光譜分析確認了Fe ASACs在催化劑中的分布和狀態。

圖5：COFX-Au (X = 1–5)系列催化劑的合成路線和電子能帶結構，以及它們在光催化N₂還原中的表現。

圖6：Pt/CTF復合材料的原子力顯微鏡（AFM）圖像和X射線吸收光譜（XANES）分析，以及Pt ASACs在CTF表面的分布情況。光催化合成NH₃機制說明了Pt ASACs在N₂還原中的作用。

圖7：La/MoO_3-x催化劑的透射電子顯微鏡（TEM）圖像和X射線吸收光譜（XANES）分析，展示了La ASACs在MoO_3-x表面的作用。原位傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和理論計算結果揭示了N₂分子在La/MoO_3-x表面的吸附、活化和還原過程。

總結展望

本文綜述了ASACs在光催化氮氣還原合成氨方面的最新進展。Ru和Fe ASACs因其在N₂化學吸附、活化和還原生成NH₃方面的高內在催化活性而得到了廣泛的研究。

特別是，Fe由于在地球地殼中含量豐富，是一種極具成本效益的元素，可用于大規模光催化合成氨。盡管取得了顯著進展，但在實現高效、選擇性和穩定性方面仍面臨挑戰。未來的研究需要探索易于操作、成本效益高且環境友好的策略，用于大規模合成高性能ASACs錨定光催化劑。

此外，利用先進的原位表征技術，如原位拉曼/TEM/AC-STEM/FTIR/ESR/XPS/XAS，對ASACs在實際反應條件下的原子級結構和組成信息進行更深入的研究，以準確調控和工程化高性能ASACs錨定光催化劑。此外，還需要開發具有卓越活性/選擇性/穩定性的ASACs錨定光催化劑，以滿足實際應用的需求。

文獻信息

標題：Atomically-Scattered Active Centers Accelerating Photocatalytic Evolution of Ammonia

期刊：Advanced Energy Materials

DOI：10.1002/aenm.202400650