张华彬课题组AEM：光激发改变反应路径，极大促进孤立Ru位点上合成氨！

第一作者：Chengyang Feng

通讯作者：张华彬

通讯单位：沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）

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氨作为碳中和能源载体，在重塑未来能源格局方面前景广阔。尽管哈伯-博世工艺在氨生产中具有持久的重要性，但其大量的碳排放和能源需求需要更可持续的途径。

本研究提出了一种通过光激发增强的先进合成氨路线，该路线根本性地改变了氮气（N₂）分子的活化路径。这种改变显著降低了反应活化能，从而显著提高了反应效率。

光激发的影响在合成氨速率上达到了前所未有的18 mmol g⁻¹ h⁻¹，比传统的热催化过程高出2.57倍。更重要的是，光辅助减少了约16%的热能输入，使其在大幅提高能效的同时，与热催化相当。

图文导读

图1：催化剂的结构表征。

图2：Ru位点的局部配位和化学状态。

图3：氨合成反应性能。

图4：光诱导的局部电子调制。

图5：反应机理探究。

总结展望

本研究开发的基于半导体的单原子催化剂，通过光和热的结合，显著提升合成氨效率。孤立的钌位点在CeO₂颗粒表面通过微调局部电子结构和作为结合位点发挥关键作用。

在光照下，CeO₂产生电子-空穴对，电子被捕获到钌位点形成局部电子富集区域。这些电子富集区域有效激活了吸附在钌位点上的未解离N₂分子，促进了沿联合路径的加氢作用，从而降低了氮还原的速率限制步骤的能量障碍。

这项工作揭示了通过实施光辅助策略显著提高合成氨中热能有效利用的有前景的方法，为设计和扩展更环保的人工固氮催化系统铺平了道路。

文献信息

标题：Photoexcitation Altered Reaction Pathway Greatly Facilitate Ammonia Synthesis Over Isolated Ru Sites

期刊：Advanced Energy Materials

DOI：10.1002/aenm.202303792