Designing a Redox Heterojunction for Photocatalytic “Overall Nitrogen Fixation” under Mild Conditions

光催化 材料科学 异质结 硝酸盐 固氮 氮气 氧化还原 分子 纳米技术 氨生产 化学工程 催化作用 有机化学 化学 光电子学 冶金 工程类
作者
Pengfei Xia,Xiancheng Pan,Shenlong Jiang,Jiaguo Yu,Bowen He,Pir Muhammad Ismail,Wei Bai,Jingjing Yang,Lan Yang,Huanhuan Zhang,Ming Cheng,Huiyi Li,Qun Zhang,Chong Xiao,Yi Xie
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (28): e2200563-e2200563 被引量:201
标识
DOI:10.1002/adma.202200563
摘要

Ammonia and nitrates are the most fundamental and significant raw ingredients in human society. Till now, industrial synthetic ammonia by Haber-Bosch process and industrial synthetic nitrates by the Ostwald process have encountered increasingly serious challenges, i.e., high energy consumption, high cost, and environment-harmful gas emissions. Therefore, developing alternative approaches to achieve nitrogen fixation to overcome the inherent deficiencies of the well-established Haber-Bosch and Ostwald processes has fascinated scientists for many years, especially the simultaneous formation of ammonia and nitrate directly from N2 molecules, which has been rarely studied. Herein, a heterojunction-based photocatalytic system is designed to successfully achieve "overall nitrogen fixation," a sustainable and simultaneous conversion of N2 molecules into ammonia and nitrate products under mild conditions. In this heterojunction, interfacial charge redistribution (ICR) promotes selective accumulations of photogenerated electrons and holes in the CdS and WO3 components. As a result, N2 molecules can be activated and reduced to ammonia products with yields of 35.8 µmol h-1 g-1 by a multi-electron process, and synchronously oxidized into nitrate products with yields of 14.2 µmol h-1 g-1 by a hole-induced oxidation coupling process. This work provides a novel insight and promising approach to realize artificial nitrogen fixation under mild condition.
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