双极性工程打破电荷转移动力学平衡实现空气中H2O2介导的硝酸盐高效光合成

本研究针对传统肥料生产高能耗问题，开发了一种太阳能驱动的空气（N2/O2）直接合成硝酸盐技术。通过构建具有"电子高速通道"和"空穴超通道"的无金属碳基催化剂，解决了载流子失衡难题，实现了创纪录的硝酸盐产率（8.89 mg·g?1·h?1），为替代哈伯-博世工艺提供了绿色方案。

　　

这项突破性研究开创了直接从空气（氮气N₂和氧气O₂）中光合成硝酸盐肥料的新范式。传统哈伯-博世工艺能耗巨大，而本研究通过精巧设计无金属碳基催化剂，内置"电子高速公路"和"空穴超通道"，成功攻克了困扰该领域的核心难题——载流子动力学失衡。

研究团队将硫/氧双极性单元集成到缺电子萘二酰亚胺(NDI)基给体-受体(D-A)π框架中，实现了光生电子-空穴的时空分离。实验与理论分析表明，这种双极性架构形成了串联内建电场和强宏观极化效应，构建出空间分离的"电子平台"和"空穴超通道"，显著降低复合率并加速氧化还原动力学。

更关键的是，极化诱导的有序分子排列使反应物分子定向排布，大幅降低N≡N三键解离能垒，首次实现氧气还原与氮气氧化的同步进行。优化后的催化剂达成8.89 mg·g^?1·h^?1的创纪录硝酸盐产率，表观量子效率达5.50%，性能超越所有已报道无金属体系。这项研究不仅提供了创新的催化剂设计原则，更为实现电子-空穴传输速率的差异化双向调控提供了深刻见解，开辟了"从空气到肥料"的可持续转化路径。