综述：纳米材料驱动的光催化固氮：光催化固氮（PNF）与生物固氮（BNF）的联系

本文聚焦光催化固氮（PNF）和生物固氮（BNF）。阐述二者在氮循环中的作用，纳米材料在其中的关键价值，如模拟生物结构改进光催化剂等。探讨二者结合的潜力，为可持续农业供氮管理提供创新思路，助力农业绿色发展。

　　

引言

化肥在现代农业中不可或缺，氮肥的使用和产量位居全球首位。目前氮肥主要通过工业哈伯 - 博施法（Haber-Bosch process）生产，将氮气（N₂）和氢气转化为氨气（NH₃） 。但该过程能耗高，需在高温（400 - 500°C）、高压（130 - 200 bar）下进行，约占全球二氧化碳（CO₂）排放量的 1.4%，消耗全球 1% 的能源。而且，施用到农作物的氮素利用率不足 30%，其余部分流失到环境中，造成氮径流污染、土壤酸化和氧化亚氮（N₂O）排放等问题。因此，探寻提高氮肥生产和利用率的方法迫在眉睫，生物固氮（BNF）和光催化固氮（PNF）提供了可行方案。

生物固氮是微生物（固氮生物）中的固氮酶将大气中的 N₂转化为 NH₃的过程，对土壤氮含量至关重要，能促进植物生长。根据固氮微生物的特性及其与其他生物的关系，生物固氮通常分为共生固氮、自生固氮和联合固氮三种类型。共生固氮发生在固氮细菌（如根瘤菌属）与豆科植物的互利共生关系中；自生固氮的微生物可独立固氮；联合固氮的微生物生活在植物根际或根部，利用植物光合产物固氮。与哈伯 - 博施法相比，生物固氮中的固氮酶在温和的温度和压力条件下就能发挥作用，为开发新型催化剂提供了思路。

随着自由基应用研究的进展，利用自由基调节材料氧化还原（REDOX）性能的催化剂不断创新。光化学、电化学和光电化学（PEC）技术在固氮领域崭露头角，这些方法能在温和条件下提供高能量中间体（如自由基），促进氧化还原反应。光催化材料因能高效利用光能，在 N₂的活化和氢化方面潜力巨大。光催化固氮利用半导体材料，在光照下产生电子（e^-）和空穴（h⁺），光生电子可在相对温和的条件下将 N₂还原为 NH₃。近年来，光催化固氮领域发展迅速，研究人员探索了多种光催化材料，如纳米晶金属氧化物（TiO₂、ZnO）、金属硫化物（ZnS、CdS）、氮化碳基材料（g-C₃N₄）、铋基光催化剂（BiOX、BiVO₄、Bi₂WO₆）等，这些材料在有机污染物降解、制氢、固氮和 CO₂光转化等领域均有应用。

纳米催化材料在农业领域的应用日益广泛。纳米材料比表面积大，提供了丰富的活性位点，可加快反应速率；其优异的导电和导热性有助于电子和热量传输，对维持催化活性、提高整体反应速率至关重要。此外，纳米材料还可作为基因传递平台，将基因和生物活性分子精准运输到特定细胞器（如叶绿体和线粒体），增强植物代谢途径和光合作用效率，在农业领域应用前景广阔。

PNF 机制

在温和条件下固氮颇具挑战，因为 N≡N 键能高达 945 kJ/mol，断裂该键需要投入大量能量。纳米光催化材料则为固氮带来了希望，它能吸附 N₂、吸收光子产生自由基，并具有氧化还原特性。在典型的光催化固氮过程中，主要存在两种反应机制。（此处文档未详细阐述两种机制，暂无法展开）

用于 BNF 的纳米材料

循环农业的可持续发展是现代农业的重要特征，旨在构建闭环系统，减少浪费，提高资源利用效率。生物固氮是循环农业的关键环节，对维持土壤肥力至关重要。固氮酶是生物固氮的关键酶复合物，含有铁（Fe）和钼（Mo）作为关键辅因子，能够催化 N₂的转化。（文档此处未详细说明纳米材料在生物固氮中的具体作用方式，可根据前文纳米材料特性合理推测，如纳米材料可能通过影响固氮酶的结构或活性来促进生物固氮，但需注明推测依据）

PNF 和 BNF 的协同应用潜力

光催化固氮和生物固氮都是自然氮循环的重要组成部分。纳米光催化材料可利用光能，通过光生电子和空穴的氧化还原反应将 N₂转化为 NH₃。纳米材料还能增强固氮微生物的代谢活性和固氮酶的效能，从而提高生物固氮效率。二者结合，有望为农业生产提供更高效、环保的固氮方式。（可举例说明一些研究中二者协同作用的具体表现，若文档未提及可简述未来可能的研究方向）

展望与挑战

光催化固氮技术以太阳能为能源，通过光催化剂将大气中的 N₂转化为 NH₃或硝酸盐，为生物固氮提供了新思路，尤其是在如何更高效利用太阳能催化固氮反应方面。共生固氮同样利用太阳能为植物提供所需的 N₂，这一机制激发了科学家的探索兴趣。但目前光催化固氮和生物固氮技术仍面临诸多挑战，如光催化材料的效率和稳定性有待提高，生物固氮的调控机制还需深入研究等。（可进一步阐述面临挑战的具体方面，如技术成本、实际应用场景限制等）

结论

在农业科学领域，光催化固氮和生物固氮的整合在推进氮循环管理方面潜力巨大。受固氮酶启发，研究人员开发出模拟 FeMo 辅因子结构的仿生光催化剂，展现出优异的光催化性能。部分光催化剂（如 MoS₂纳米颗粒）还能增强固氮酶活性。尽管光催化固氮和生物固氮机制不同，但二者优势互补，纳米材料在其中发挥了重要作用，有望为全球氮管理提供环保解决方案，推动可持续农业发展。