原位沉淀构建Bi/BiFeO3肖特基结电子隧道促进光催化氨合成效率

针对光催化氮还原反应中肖特基结导致的电子传输障碍问题，研究人员通过原位沉淀法在BiFeO3(BFO)表面构建金属Bi纳米颗粒，形成梯度Fe2+掺杂的电子隧道，优化了肖特基结单向电子传输能力。该策略使Bi/BFO的NH3产率达到202.5 μmol g?1 h?1，为高效光催化固氮提供了新思路。

　　

氨作为全球年产量超2亿吨的重要化工原料，其传统Haber-Bosch工艺存在高能耗与CO₂排放问题。光催化氮还原技术虽具环保优势，但N≡N三键解离能高达941 kJ·mol^?1，且半导体-金属界面肖特基势垒阻碍电子传输，导致效率远低于生物固氮。中国地质大学（武汉）团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表研究，通过原位沉淀法在可见光响应的BiFeO₃表面构建金属Bi纳米颗粒，创新性地解决了上述难题。

研究采用水热法合成BFO基底，经Ar/H₂气氛还原退火实现Bi原位沉淀；通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征材料结构，紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)分析光吸收特性，电化学阻抗谱(EIS)验证电子传输改善；利用同位素标记实验证实氮气还原路径。

结构分析显示Bi/BFO保持菱形钙钛矿结构，Bi纳米颗粒均匀分散于BFO表面（图1a）。X射线光电子能谱(XPS)证实界面处存在梯度Fe²⁺掺杂，将肖特基势垒宽度(w)从1.2 eV降至0.75 eV，形成电子隧道（图2c）。光电性能测试表明优化后的Bi/BFO-350样品电荷分离效率提升3.8倍，界面电阻降低56%（图3d）。催化性能测试中，该材料在可见光下NH₃产率达202.5 μmol g^?1 h^?1，较纯BFO提高11倍（图4b），且同位素¹⁵N₂标记实验证实氮源来自气相N₂。

该研究通过原位沉淀法同步实现活性位点构建与界面工程优化：金属Bi的6p轨道与N 2p轨道强相互作用促进N₂活化，其0.75 eV的高氢结合能(ΔG_H^??)抑制析氢副反应；梯度Fe²⁺掺杂形成的电子隧道突破肖特基势垒限制，驱动光生电子定向传输至Bi活性位点。这种"位点-传输"协同策略为设计高效金属-半导体光催化剂提供了范式，对开发绿色合成氨技术具有重要指导意义。