固氮反应是氮循环过程的基本反应，通过固氮反应能够将N₂转换为NH₃，从而为人体生命的重要条件（比如蛋白质、核酸等结构）提供原料，同时作为重要的工业产品（比如肥料、染料、爆炸物等），固氮反应不仅在结构特别的细菌中进行，同时人类通过工业化Habor-Bosch循环进行大规模固氮催化反应。

目前工业固氮反应过程需要>200 atm高压、较高温度（300-500 ℃），通过甲烷提供氢气，因此这种Haber-Bosch催化反应过程具有高耗能缺点。相比而言，电催化固氮反应具有显著优势，能够在温和条件进行，但是目前电催化固氮反应面临着高耗电的问题，因为N₂分子具有较强的化学惰性，电化学转化需要较高的过电势，而且电化学反应的法拉第效率较低。相比而言，光催化固氮反应可以使用可再生太阳能作为能源。同时目前光催化固氮反应面临着光利用度较低，快速的载流子复合等缺点。而且N₂分子的切断能量高达945 kJ/mol。

近日，中南大学王梁炳、中国科学技术大学张文华等报道发现通过光催化剂以氢键作用活化N₂分子，能够非常有效的进行固氮反应。作者发展了硫掺杂的多孔Cu作为催化剂，在光催化固氮反应中表现了较好的催化反应活性。该催化剂中，S原子能够接受氢原子形成S-H键，随后通过氢键相互作用活化N₂分子，实现N₂活化和转化。

有鉴于此，中国地质大学（武汉）余家国等对该项工作进行总结，对工作的意义进行评述。

本文要点：

（1）

作者制备了多孔Cu催化剂表面修饰3 % S原子的催化剂，实现了优异的光催化固氮反应性能，制氨的速率达到157 μmol g_cat^-1 h^-1，催化反应过程无需牺牲剂，在连续10次催化反应循环保持>96 %催化性能。其中界面S原子起到多种作用：在S原子上，分别接受/给出氢原子，形成S-H键，从而参与固氮反应；接受氢原子形成的S-H键起到氢键作用活化N₂分子。

（2）

在Raman光谱表征中，作者发现在光照条件，吸附水蒸气后出现S-H键，随后在引入N₂分子后该S-H键信号消除。通过原位N边XANES表征，作者发现当水分子存在时，N₂分子吸附后N-N键长度增加，说明H₂O促进活化N₂分子。通过DFT计算结果，作者发现N₂分子吸附在S/Cu(111)催化剂上，生成N₂*-S/Cu(111)结构，进一步的结合H原子得以提高稳定性形成NN-H*-S/Cu(111)。计算结果发现修饰S导致活化能显著降低。

（3）

通过相关实验表征、DFT计算模拟之间的结合，说明氢键相互作用有助于改善活化N₂分子的效果，从而催化剂实现了更高的固氮反应催化性能。

参考文献

Linxi Wang, Yang Xia, Jiaguo Yu,* Hydrogen-bond activation of N₂ molecules and photocatalytic nitrogen fixation, Chem 2021,

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