纳米凹坑介导的电子富集效应实现纯水中高效压电光催化固氮

推荐：针对压电光催化中载流子分离效率低的问题，西安交通大学杨贵东团队通过设计PbTiO3纳米片上的纳米凹坑结构，首次提出"电子富集效应"，实现108.9 μmol·g-1·h-1的纯水氨产率，为绿色合成氨技术提供新思路。

　　

传统Haber-Bosch法合成氨需在高温高压（400-600°C，10-25 MPa）下进行，年耗全球1-2%能源。相比之下，光催化固氮技术虽能在常温常压下利用太阳能直接活化N≡N三键，但现有纯水体系的光催化氨产率普遍低于50 μmol·h^-1·g_cat.^-1，太阳能-化学能转换效率不足5%，严重制约其工业化应用。这一瓶颈主要源于光生载流子的随机迁移与快速复合，以及压电极化过程中存在的"电势屏蔽效应"——当压电材料表面形成与极化电场反向的屏蔽电场时，会显著降低载流子分离效率。

西安交通大学化学工程与技术学院的研究人员创新性地提出"纳米凹坑介导电子富集效应"，通过高温氢还原法在超薄PbTiO₃纳米片极化方向构建纳米凹坑结构。这些凹坑既能通过晶格应变增强局部极化电场，又能通过边缘缺陷形成电荷梯度场，将迁移路径中的光生电子捕获并富集在凹坑区域，同时暴露出大量低配位Ti位点直接活化N₂分子。该成果发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，实现了纯水体系108.9 μmol·g^-1·h^-1的氨产率，创下钙钛矿基催化剂的新纪录。

关键技术包括：1）以TiO₂为模板水热合成超薄PbTiO₃纳米片；2）高温氢还原构建纳米凹坑结构；3）通过压电力显微镜（PFM）和开尔文探针力显微镜（KPFM）表征局部极化特性；4）同位素标记法验证氮气还原路径。

【材料表征】透射电镜显示纳米凹坑直径约20 nm，深度2-3 nm（图S3）。X射线光电子能谱（XPS）证实凹坑边缘存在Ti³⁺缺陷态（图2c），这些低配位Ti位点对N₂的吸附能比平整表面高1.8倍（DFT计算）。

【电子富集效应】KPFM测试表明纳米凹坑区域的表面电势比平整区域低0.35 V（图3d），证实其作为电子陷阱的特性。瞬态吸收光谱显示载流子寿命从2.3 ns延长至5.7 ns（图4b），迁移距离缩短60%。

【催化性能】最优化的NP-PbTiO₃在纯水中氨产率达108.9 μmol·g^-1·h^-1，是未处理样品的4.2倍（图5a）。同位素¹⁵N₂标记实验证实氨源来自氮气而非污染物（图S12）。

该研究通过纳米凹坑结构同时解决了压电光催化的三个核心问题：1）打破电势屏蔽效应；2）缩短载流子迁移路径；3）提供N₂活化位点。杨贵东团队提出的"电子富集效应"为设计高效压电光催化剂提供了普适性策略，其创纪录的氨产率使绿色合成氨技术向工业化迈进重要一步。值得注意的是，该方法无需贵金属助催化剂，在纯水体系中即可实现高效固氮，为可再生能源驱动的小规模分布式氨合成装置开发奠定基础。