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在碳中性背景下，光催化氮还原反应（PNRR）面临 H?O 解离及 N?氢化难题。研究人员制备 Pt@NM-101 (Fe) 催化剂，其 NH?产率达 303.39 μmol?g?1?h?1 ，AQE 为 0.28%。该研究为设计高性能 PNRR 催化剂提供新策略。
在当今追求绿色可持续发展的时代，氨作为重要的工业原料，其合成方式备受关注。传统的哈伯 - 博施法（Haber-Bosch method）虽然极大地推动了农业和工业发展，每年能产出高达 1.6 亿吨氨，但却消耗了全球 1% 的能源，还贡献了全球 3% 的年度二氧化碳排放，给能源和生态环境带来沉重负担。在此背景下，光催化氮还原反应（PNRR）成为科研人员的研究热点。PNRR 是在水相中，利用光能驱动氮气（N?）和水（H?O）反应合成氨（NH?）的过程，具有安全、低能耗、环境友好和反应条件温和等诸多优势。
然而，PNRR 的发展并非一帆风顺。当以水作为氢源时，催化剂表面活性氢（H）不足，这严重限制了光催化活性。此外，氮气分子中稳定的三键（N≡N），键能高达 941 kJ?mol?1，在常温常压下极难被激活。而且，单一的铁（Fe）催化位点往往难以同时具备出色的H 吸附能力和 N?激活能力，导致反应中间体（如 * N?、*HNNH、*HNNH?等）的氢化效率低下。目前，大多数含 Fe 或 Pt 的氮还原反应（NRR）光催化剂还存在比表面积较小、暴露活性位点不足的问题，这些都阻碍了 PNRR 的实际应用。
为了解决这些难题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们通过简单的化学还原法，开发并合成了一种 Pt 修饰的 Fe 基金属 - 有机框架（Pt@NM-101 (Fe)）纳米复合催化剂。研究发现，该催化剂在模拟太阳光下展现出卓越的光催化固氮性能，在纯水中的氨产率达到 303.39 μmol?g?1?h?1 ，是原始 NM-101 (Fe) 的 4.2 倍，同时在 420nm 光照下，其表观量子效率（AQE）达到 0.28% ，且稳定性良好。这项研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上，为实现高效、可持续的光催化固氮提供了新的策略，有望在未来的氨合成领域掀起新的变革。
研究人员在这项研究中主要运用了以下关键技术方法：首先是合成技术，采用简单的化学还原法制备 Pt@NM-101 (Fe) 纳米复合催化剂，先通过溶剂热法合成 NM-101 (Fe)，再利用化学还原过程将 Pt 纳米颗粒（NPs）沉积到 NM-101 (Fe) 上。其次是实验检测技术，包括在氮气氛围下进行的产氢实验，以此探究催化剂的性能；还运用了原位傅里叶变换红外光谱（in-situ FTIR）分析，用于研究 PNRR 的反应路径。此外，通过密度泛函理论（DFT）计算从理论层面深入剖析 Pt NPs 在 PNRR 中的作用机制。
结果与讨论
- 催化剂的制备：研究人员以 2 - 氨基对苯二甲酸为有机配体，FeCl??6H?O 为金属盐，在 N，N - 二甲基甲酰胺溶剂中，通过配位化学反应，采用简单的溶剂热法合成了 NM-101 (Fe)。之后，经过化学还原过程将 Pt NPs 沉积到 NM-101 (Fe) 上，成功制备出目标复合光催化剂 Pt@NM-101 (Fe)。
- 光催化固氮性能：在模拟太阳光下，Pt@NM-101 (Fe) 展现出优异的光催化固氮性能。实验数据显示，其氨产率高达 303.39 μmol?g?1?h?1 ，相比原始的 NM-101 (Fe) 提高了 4.2 倍。同时，该催化剂在 420nm 光照下，表观量子效率（AQE）达到 0.28% ，这一数据表明其在特定波长光下的光催化效率较高，且具备良好的稳定性。
- 反应机理探究：通过氮气氛围下的产氢实验和 DFT 计算，研究人员发现 Pt NPs 能够高效地吸附并解离 H?O，产生H。这些H 能够促进关键反应中间体（如 * NNH、*HN-NH 等）的形成，从而加速 PNRR 的氢化过程。原位 FTIR 分析表明，PNRR 的反应路径遵循交替氢化途径，进一步证实了 Pt NPs 在吸附和解离 H?O 分子方面的重要作用。
研究结论与意义
研究人员成功合成了负载 Pt NPs 的 MOF（Pt@NM-101 (Fe)），该催化剂在光催化固氮领域表现出色，氨产率显著提高，且具有较高的表观量子效率和良好的稳定性。这项研究揭示了 * H 供应在光催化固氮中的关键作用，明确了 Pt@NM-101 (Fe) 中 Pt 和 Fe 位点之间的协同效应，为设计高性能的 PNRR 催化剂提供了全新的策略。这不仅有助于推动光催化固氮技术的发展，有望解决传统氨合成方法带来的能源和环境问题，还为实现碳中性目标提供了新的技术支持，对社会的可持续发展具有重要意义。
