乔世璋院士，最新AEM综述！

第一作者：Jingrun Ran

通讯作者：乔世璋教授

通讯单位：澳大利亚阿德莱德大学

论文速览

光催化N₂还原为氨是一种成本效益高、环境友好且高效的途径，用于生成作为可运输/可储存能量载体和必需肥料的氨。最近，广泛探索了锚定有各种原子级分散活性中心（ASACs）的光催化剂，如钌（Ru）、铁（Fe）、金（Au）、铂（Pt）、铜（Cu）、钼（Mo）和镧（La）等，在光催化N₂至氨的转化中。

本综述批判性地总结了当前在合成各种光催化剂载体（如金属氧化物、碳氮化物、金属有机框架和共价有机框架）上锚定上述ASACs以实现N₂还原合成氨的进展。

总结和介绍ASACs锚定光催化剂的合成路线、结构/组成特性和性能。此外，还介绍了这些ASACs锚定光催化剂的原子级结构/组成与性能之间的关系。包括反应动力学/热力学、反应路径和电荷载流子动力学在内的反应机理，特别是重点强调通过各种先进表征技术揭示的反应机理。

本综述还概述了合成针对合成氨的新型光催化剂的基本原理。最后，介绍了ASACs锚定光催化剂在合成氨方面的当前挑战、机遇和未来展望。

图文导读

图1：ASACs锚定光催化剂在合成氨方面的成果时间线，说明了不同年份在该领域的进展。同时，图1b和1c分别阐释了光催化N₂还原至NH₃的反应机理，以及Ru ASACs结合TiO₂进行光催化N₂还原至NH₃的详细机制。

图2：通过Fe/H_xMoO_3-y复合材料的合成路线和光电流测量，展示了该复合材料在光催化合成NH₃中的活性和稳定性。不同重量比的Ru与MoO₃组合的光催化活性比较，突出了最优化的Fe含量对于提高光催化性能的重要性。

图3：通过不同催化剂的光催化NH₃产率对比，以及Fe-4/WO_2.72-x的透射电子显微镜（TEM）和X射线吸收光谱（XANES）分析，揭示了Fe ASACs在WO_2.72-x表面的作用和对光催化性能的影响。

图4：Al-PMOF(Fe)在不同气氛下的光催化合成NH₃性能，以及与Al-PMOF相比的提升效果。循环测试表明了Al-PMOF(Fe)的稳定性，而元素分布和XANES光谱分析确认了Fe ASACs在催化剂中的分布和状态。

图5：COFX-Au (X = 1–5)系列催化剂的合成路线和电子能带结构，以及它们在光催化N₂还原中的表现。

图6：Pt/CTF复合材料的原子力显微镜（AFM）图像和X射线吸收光谱（XANES）分析，以及Pt ASACs在CTF表面的分布情况。光催化合成NH₃机制说明了Pt ASACs在N₂还原中的作用。

图7：La/MoO_3-x催化剂的透射电子显微镜（TEM）图像和X射线吸收光谱（XANES）分析，展示了La ASACs在MoO_3-x表面的作用。原位傅里叶变换红外光谱（FTIR）和理论计算结果揭示了N₂分子在La/MoO_3-x表面的吸附、活化和还原过程。

总结展望

本文综述了ASACs在光催化氮气还原合成氨方面的最新进展。Ru和Fe ASACs因其在N₂化学吸附、活化和还原生成NH₃方面的高内在催化活性而得到了广泛的研究。

特别是，Fe由于在地球地壳中含量丰富，是一种极具成本效益的元素，可用于大规模光催化合成氨。尽管取得了显著进展，但在实现高效、选择性和稳定性方面仍面临挑战。未来的研究需要探索易于操作、成本效益高且环境友好的策略，用于大规模合成高性能ASACs锚定光催化剂。

此外，利用先进的原位表征技术，如原位拉曼/TEM/AC-STEM/FTIR/ESR/XPS/XAS，对ASACs在实际反应条件下的原子级结构和组成信息进行更深入的研究，以准确调控和工程化高性能ASACs锚定光催化剂。此外，还需要开发具有卓越活性/选择性/稳定性的ASACs锚定光催化剂，以满足实际应用的需求。

文献信息

标题：Atomically-Scattered Active Centers Accelerating Photocatalytic Evolution of Ammonia

期刊：Advanced Energy Materials

DOI：10.1002/aenm.202400650