高鹏教授团队：铋基催化剂用于光电化学固氮的研究进展

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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。


       文章来源：杭州师范大学
       高鹏，男，1977年5月生，杭州师范大学教授。2001年毕业于中国科学技术大学，2006年获得中国科学技术大学博士学位。主持项目：主持国家自然科学基金、教育部博士点基金、国家博士后特别资助、省自然科学基金、市重点科技公关专项等多项。
       熊宇杰，中国科学技术大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者（2017），科技部中青年科技创新领军人才（2016），英国皇家化学会会士（FRSC）。1996年进入中国科学技术大学少年班系学习，2000年获得化学物理学士学位，2004年获得无机化学博士学位。2004-2007年在美国华盛顿大学（西雅图）进行博士后研究，2007-2009年在美国伊利诺伊大学香槟分校任助理研究员，2009-2011年在美国华盛顿大学圣路易斯分校任国家纳米技术基础设施组织首席研究员。2011年回到中国科学技术大学工作，2018年起任应用化学系执行系主任、合肥微尺度物质科学国家研究中心纳米催化与能量转化研究部主任。主要研究方向是基于无机固体材料结构的原子精度控制，实现关键小分子的活化与调控，用于太阳能驱动的化学品合成。已在Science等国际刊物上发表160余篇论文，其中近五年在JACS、Angew. Chem.和Adv. Mater.三大化学与材料期刊上发表28篇通讯作者论文，总引用16,000余次（H指数61），连续四年入选Elsevier中国高被引学者（化学）榜单。近年来曾获国家自然科学二等奖（第三完成人，2012）、中国化学会青年化学奖（2013）、中国科学院优秀导师奖（2014，2015，2016，2018）、香港求是杰出青年学者奖（2014）、美国华人化学与化学生物学教授协会杰出教授奖（2015）、日本化学会杰出讲座奖（2018）等奖励。目前担任Journal of Materials Science期刊编辑、中国化学会青年化学工作者委员会副主任。