利用硫缺乏型MoS2压电催化剂直接且可持续地从空气和水中合成氨

《ACS Nano》：Direct and Sustainable Ammonia Synthesis from Air and Water with Sulfur-Deficient MoS2 Piezocatalysts

高效环保的氮气至氨气转化催化剂开发及其机理研究，采用MoS2纳米花通过双硫空位（V2s）和压电效应在常温常压下实现直接氨合成，无需牺牲剂，8小时产率达3.655 μmol g?1 h?1，性能超越多数光催化剂和压电催化剂，并首次实现仅用水和空气的常压合成。

　　### 一种基于MoS?纳米花的绿色氨合成方法

氨（NH?）作为农业和工业中的关键化合物，其生产方式的绿色化对于推动可持续发展至关重要。传统的哈伯-博世法虽然在历史上取得了革命性突破，但其高能耗和高排放的问题日益突出，限制了其在当前环境背景下应用的广泛性。为了解决这一挑战，本研究提出了一种创新的氨合成方法，通过MoS?纳米花（NFs）在室温条件下直接利用空气中的氮气（N?）和水合成氨，无需牺牲试剂。这一方法不仅显著提高了合成效率，还展示了其在可持续能源领域的巨大潜力。

在实验中，研究人员通过在氩气和氢气混合气氛中对MoS?进行不同时间的退火处理，以引入双硫空位（V2s），并进一步优化其压电性能。MoS?纳米花的结构特性使其在机械应变作用下能够产生强压电场，从而有效分离电子-空穴对，推动氮气的转化过程。实验结果显示，该催化剂在8小时内能够达到36.55 mmol L?1 g?1的氨产量，其绝对产量为3.655 μmol，表明其在反应过程中具有出色的稳定性。同时，该催化剂在使用空气作为反应气体时，依然能够实现26.03 mmol L?1 g?1的氨产量，相当于2.603 μmol的绝对产量，显示出其对空气氮气的高效利用能力。

为了进一步验证这一反应机制，研究人员结合了原位拉曼光谱和原位漫反射傅里叶变换红外光谱（DRIFTS）等技术，观察到了氮气在催化剂表面吸附的特征峰，包括侧位吸附模式，表明氮气分子在催化剂表面发生了键长的延长和键能的降低。此外，密度泛函理论（DFT）计算进一步支持了这些实验结果，揭示了硫空位附近的未配对Mo d轨道电子如何通过反向供电子作用激活氮气分子的解离过程，从而降低反应的能垒。

这一研究不仅为氨的绿色合成提供了新的思路，也为未来可持续能源解决方案开辟了新的路径。通过结合硫空位工程和压电效应，MoS?纳米花催化剂能够实现高效的氮气还原反应，同时避免了传统方法所需的高纯度氮气和牺牲试剂。实验还表明，该催化剂在反应过程中具有良好的选择性，能够有效抑制副反应的发生，如氢气的生成和氧气的释放。这些结果共同证明了MoS?纳米花催化剂在氨合成领域的高效性和可持续性。

此外，为了确保反应的准确性，研究人员还采用了多种检测方法，包括离子色谱法（IC）和定量核磁共振（qNMR）等，对氨的产量进行了多重验证。实验结果表明，这些方法得到的数据一致，进一步确认了氨的生成确实来源于催化剂的氮气还原过程，而非环境干扰或其他副产物。这些发现不仅为氨的绿色合成提供了坚实的理论基础，也为未来相关研究提供了重要的参考。

总之，本研究通过创新的催化剂设计和反应机制，为氨的可持续生产开辟了新的可能性，展示了压电催化系统在氮气还原反应中的巨大潜力。这一方法不仅避免了传统工艺的高能耗和高排放问题，还实现了对大气氮气的高效利用，为未来的绿色能源和可持续农业提供了新的解决方案。