近日，贵州大学材料与冶金学院特聘教授袁继理领衔的光/电催化研究小组，在光催化固氮的研究中取得了重要进展，成果以“Synergistic Ru/RuO2 Nano-Islands and Satellite RuN4 Sites for Efficient Nitrogen Photofixation via Dual Pathways”为题发表在国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition (德国应用化学，影响因子为16.9，中科院一区TOP，自然指数期刊）。2022级硕士研究生潘荣兰为论文第一作者，贵州大学袁继理特聘教授和南京大学李朝升教授为论文通讯作者。
人工固氮是维系全球化工与农业生产的核心技术，现阶段工业制备硝酸盐主要依赖哈伯-博施法与奥斯特瓦尔德法，两类工艺需严苛的高温高压条件，不仅消耗大量化石能源，还会排放大量二氧化碳，生态与能源成本居高不下。太阳能驱动的光催化氮氧化反应可在常温常压下，直接利用氮气、氧气和水合成硝酸盐，成为替代传统高能耗工业路线的理想技术。但该技术实际应用仍面临多重瓶颈，氮气分子具备极强的热力学稳定性，其三键键能高达941 kJ/mol，氧化反应活化能垒高达87.7 kJ/mol。同时，光生载流子利用率偏低、活性氧物种生成效率不足且反应竞争路径复杂，进一步制约催化效率。此外，羟基自由基等关键活性物种寿命短、扩散范围有限，难以与活化后的氮气分子充分反应，现有催化材料无法精准调控活性位点布局与反应路径，亟需开发新型协同催化体系破解行业痛点。
在这项研究中，袁继理教授团队通过整合RuN4单原、Ru及RuO2纳米颗粒，在介孔氮化碳载体上构筑出空间分布合理的多活性协同催化体系，有效解决了光催化氮氧化过程中电荷利用率低、氮气活化困难、活性物种匹配性差等核心问题。超快光谱与原位表征结果证实，不同Ru基活性位点形成功能互补的电荷转移体系，大幅提升光子向活性氧物种的转化效率，同时限域局部反应环境，强化氮气与活性物种的相互作用。机理层面明确了两条并行的硝酸盐生成路径，阐明了富氧条件下主导反应路径的演化规律，填补了光催化氮氧化反应机理研究的部分空白。催化剂不仅拥有优异的催化活性与长周期循环稳定性，负载于碳纤维膜后还可在自然阳光条件下实现规模化硝酸盐生产，展现出良好的实际应用潜力。该研究建立了多活性位点协同设计的可行策略，也为拓展Ru基催化材料在清洁能源转化、绿色固氮工业领域的应用奠定了理论与实验基础。
该项目得到了国家自然科学基金、贵州省基础研究计划重点项目等多个项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.7729112