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3月1日，我校基础与前沿研究院董帆教授团队在Nature Communications发表最新研究成果“Subnanometric alkaline-earth oxide clusters for sustainable nitrate to ammonia photosynthesis”。
该工作通过在TiO2纳米片（TNS）表面原位负载BaO亚纳米团簇（BaONCs），实现了高效的光催化硝酸盐还原合成氨，表现出优异的性能。我校基础与前沿研究院董帆教授为论文通讯作者，李解元研究员为论文第一作者，电子科技大学基础与前沿研究院为论文第一单位。
由于N2分子具有极高的解离能和极低的溶解度，现有N2还原合成氨反应（N2RR）的催化效率较低。本文开发了硝酸盐还原合成氨（NO3−RR）的新工艺路线和BaONCs-TNS高性能催化剂，采用太阳光驱动的光催化技术，实现了硝酸盐废水向铵根的高值定向转化，并在模拟实际废水中验证了该合成氨路线的可行性。
本文首先在光催化NO3−RR反应溶液中原位加入Ba2+离子，实现了BaONCs活性位点的可控构筑（图1）。
图1 BaONCs-TNS催化剂的原位构筑（图片来源及版权：Nature Communications及论文作者）
通过建立系统的反应测试条件和完整的性能评价体系，本文进一步对BaONCs-TNS的光催化NO3−RR性能进行测试，其产氨速率达到了11.97 mol gmetal−1 h−1 (89.79 mmol gcat−1 h−1)，合成氨选择性97%，实现了大于72小时的稳定产氨（图2）。上述性能在光催化合成氨领域中表现出极大的优势，且超越了部分电催化合成氨体系。
图2 光催化NO3−RR性能测试（图片来源及版权：Nature Communications及论文作者）
结合原位EPR，原位红外和反应动力学计算，本文对硝酸根还原合成氨反应机理进行了解析，明确了反应物、中间产物、终产物及反应活性物种的生成和演化规律，提出了NO3−RR反应机理的调控策略（图3）。
图3 光催化NO3−RR反应机理解析（图片来源及版权：Nature Communications及论文作者）
最后，考虑到硝酸盐在废水中广泛分布的情况，将这一合成氨反应体系应用到模拟实际废水中。通过分别向反应溶液中加入有机污染物、阳离子和阴离子污染物，研究发现NO3−RR路线的产氨速率和选择性在上述条件下均得到了基本的保持，表现出了较强的环境适应性。
图4 NO3−RR反应路线在模拟实际废水中的可靠性测试（图片来源及版权：Nature Communications及论文作者）
本研究得到了国家重点研发计划（2020YFA0710000）、国家自然科学基金（21822601、22176029、22006009）、四川省杰出青年基金（2021JDJQ0006）等的支持。
论文信息：
Jieyuan Li, Ruimin Chen, Jielin Wang, Ying Zhou, Guidong Yang & Fan Dong*, Subnanometric alkaline-earth oxide clusters for sustainable nitrate to ammonia photosynthesis, Nature Communications, 2022, 13, 1098.
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28740-8
作者介绍：
董帆，电子科技大学基础与前沿研究院教授、博士生导师。1982年8月生，2010年6月博士毕业于浙江大学，香港理工大学访问学者，从事环境与能源催化方面的研究。入选国家青年人才，国家优秀青年科学基金获得者，国务院特殊津贴专家，四川省杰出青年基金获得者。获得省部级自然科学奖和科学技术奖一等奖和二等奖5项、中国环境科学学会青年科学家金奖等科技奖励10余项。担任Chinese Chemical Letters副主编、Environmental Functional Materials创刊副主编，Science Bulletin、Chinese Journal of Catalysis、物理化学学报、ACS ES&T Engineering等7本SCI期刊的编委/客座编辑和Frontiers in Environmental Chemistry专业主编。主持各类科研项目15项，包括国家自然科学基金项目5项、国家重点研发计划课题2项。在Nature Communications、Angewandte Chemie、ACS Nano、ACS Catalysis、Environmental Science & Technology (Letters)、Materials Today、Nano Energy、Applied Catalysis B: Environmental等期刊上发表论文200余篇，文章引用26000余次，H index为84。连续4年（2018-2021年）入选科睿唯安“全球高被引科学家”榜单和Elsevier中国高被引学者。
李解元，电子科技大学基础与前沿研究院研究员、博士生导师。2014年和2019年分别于四川大学获得学士和博士学位。从事大气污染控制及人工氮循环研究，入选电子科技大学“百人计划”。在Nat. Commun., ACS Catal., Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A等期刊发表论文80余篇，论文被引3700余次，H index为35，13篇入选ESI高被引论文；主持国家自然科学基金1项，国家重点研发子课题1项；担任SCI期刊International Journal of Photoenergy客座编辑。
编辑：助理编辑 / 审核：林坤 / 发布：陈伟
