氨和硝酸盐是人类社会中最基本和最重要的原材料。迄今为止，基于哈勃−博世工艺的工业合成氨和奥斯瓦尔德工艺的工业合成硝酸盐面临着日益严峻的挑战，即高能耗、高成本和无公害气体排放。因此，开发一种替代方法来实现固氮，以克服公认的上述工艺的固有缺陷，多年来一直吸引着科学家，特别是直接从氮分子转化中同时生成氨和硝酸盐。
近日，中科大谢毅院士，ChongXiao，QunZhang设计了一种氧化还原异质结光催化体系。氧化还原异质结由还原型和氧化型半导体组成。前者具有负导带(CB)位置，后者具有较高的正价带(VB)位置。
文章要点
1）作为一种典型的还原型光催化剂，CdS具有负的CB位，激发的光电子具有很强的还原能力，而WO3具有高度的正VB位，这使得光生空穴具有很强的氧化能力。利用连续离子层吸附与反应(SILAR)的方法，研究人员成功地在WO3和CdS之间建立了紧密的界面和内置的电场。
2）在WO3/CdS异质结内电场的辅助下，通过载流子的迁移，研究人员发现了界面电荷再分布(ICR)现象。在激发态，这种内电场和库仑引力为光生载流子的分离和迁移提供了驱动力。
3）强还原光电子和氧化光生空穴分别积累在CdS和WO3组分中。光催化“整体固氮”反应将在不同的氧化还原位进行，并在温和的条件下将氮气分子同步转化为氨和硝酸盐产物。实验结果显示，氨产率达到了35.8 μmol h-1 g-1，同时被空穴诱导氧化偶联过程氧化为硝酸盐产物，产率为14.2 μmol h-1 g-1。
本工作为实现温和条件下的人工固氮提供了新的思路和前景。
参考文献
Pengfei Xia,Designing a redox heterojunction for photocatalytic“overall nitrogen fixation” under mild conditions, Adv. Mater. 2022
DOI: 10.1002/adma.202200563
https://doi.org/10.1002/adma.202200563
