Dynamic Switching Spin State of Fe Single Atoms for Piezoelectric‐Mediated Overall Nitrogen Fixation Photosynthesis

材料科学 氧化还原 自旋态 催化作用 歧化 氨生产 氮气 光催化 光化学 纳米技术 无机化学 化学 有机化学 冶金
作者
Jie Yuan,Fang Chen,Wenhui Feng,Jianyu Xiao,Liang Wang,Songyu Luo,Zizhong Zhang,Jinlin Long,Wenxin Dai,Hongwei Huang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (32): e2504015-e2504015 被引量:35
标识
DOI:10.1002/adma.202504015
摘要

Abstract Solar‐driven one‐step disproportionation overall nitrogen fixation (ONF) for synchronously synthesizing ammonia and nitrate presents a promising alternative to conventional Haber‐Bosch and Ostwald processes, but suffers from ultra‐low efficiency. Single atoms (SAs) featured by maximized atomic utilization exhibit superb catalytic activity, while the definite electronic configurations confine SAs to function solely as reduction or oxidation sites, limiting the possibility for both reduction and oxidation reactions. Herein, an efficient approach is presented for ammonia and nitrate co‐synthesis by introducing Fe SAs and alternating piezoelectric field into a defective piezoelectric BaTiO 3 (OvBTO‐Fe), enabling the formation spatially‐separated redox regions and dynamic bidirectional switching of Fe spin states. At positive and negative polarization ends, Fe spin state transitions to high and low spin states through d ‐electrons relocation, respectively, thermodynamically and kinetically facilitate nitrogen reduction and oxidation reactions. Thus, OvBTO‐Fe exhibits unprecedented piezo‐photocatalytic ONF activity, achieving a record solar‐to‐chemical conversion efficiency of 0.82% and total energy‐to‐chemical conversion efficiency of 0.53%. This work proposes a methodology for dynamic multi‐directional manipulation of spin states and overall catalytic synthesis reaction.
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