利用丰富的N₂、H₂O、太阳能和可再生电力进行光催化和电催化N₂还原反应(N₂RR)来合成NH₃是非常有吸引力的。二维催化剂，包括光催化剂（TiO₂，铋基材料，层状双氢氧化物（LDHs），氮化碳，Fe@Graphene，MoS₂等）和电催化剂（金属，石墨烯，碳，氮化硼（BN），碳化硼（B₄C），黑磷（BP），硼，过渡金属氧化物/硫化物/氮化物/磷化物）因其独特的物理，化学和电子特性而成为有前途的N₂RR候选者。与它们的同类催化剂相比，二维催化剂通常具有更短的载流子扩散路径、更高的比表面积和电导率、更多的空位型缺陷和暴露的边缘位点，这有利于光生载流子的分离和N₂分子的吸附和活化。

有鉴于此，深圳大学米宏伟研究员等人，首次综述了光催化和电催化N₂RR二维催化剂的研究进展。首先，简要介绍了光催化和电催化N₂RR合成NH₃的前景，以及2D催化剂的优点。其次，系统总结了2D催化剂在N₂光还原和电还原中的应用。最后，提出了这一新兴领域的主要挑战和未来展望。

本文要点

1）与工业的Haber-Bosch反应相比，光催化和电催化N₂RR具有明显的优势和诱人的前景。只使用太阳能或电能作为能量输入，水作为质子源，使其更加清洁和可持续。这种新的固N₂过程将对人类对氮循环的理解和设计产生重大影响。随着对NH₃需求的不断增加，建立利用太阳能和电能生产肥料和燃料的新技术变得越来越重要。

2）工业应用应考虑NH₃产率、催化剂寿命、NH₃分离和副反应。到目前为止，即使光催化和电催化中最有效的NH₃产率也远远低于实际应用价值。此外，催化剂的使用寿命通常只有几百小时，不足以实现长期生产。因此，继续研究和开发更高效、更稳定的N₂RR催化剂仍然是最大的挑战。此外，NH₃的生产还涉及到用水量、NH₃分离等问题，因此还需要考虑系统设计生产条件。在光催化N₂RR过程中，不可避免地会发生副反应。例如，生成的NH₃可以通过光生空穴和活性氧进一步氧化为亚硝酸盐或硝酸盐。

3）抑制NH₃氧化有两种可能的方法:1)构建异质结或Z结构来分离NH₃生成和H₂O氧化的位点;2)开发一种流动相系统，将NH₃产物从这些氧化物质中分离出来。在电催化N₂RR中，HER的副反应也难以避免。因此，合理设计高选择性电催化剂，抑制甚至避免HER竞争反应是一个重要的策略。通过调节晶格、表面缺陷和二维结构，引入合适的杂原子调节d带中心，选择理想的配体形成结构缺陷，可以提高NH₃的收率，有效抑制HER，从而促进N₂RR电催化性能的提高。此外，利用离子液体提高N₂在电解质中的溶解度是提高NH₃产率和法拉第效率的非常有效的措施。

参考文献：

Guoqiang Zhang et al. Recent Progress in 2D Catalysts for Photocatalytic and Electrocatalytic Artificial Nitrogen Reduction to Ammonia. Advanced Energy Materials, 2021.

DOI: 10.1002/aenm.202003294

https://doi.org/10.1002/aenm.202003294