利用丰富的N₂、H₂O、太阳能和可再生电能进行光催化和电催化N2还原反应（N₂RR）合成NH₃是非常有吸引力。2D催化剂，包括光催化剂（TiO2、铋基材料、层状双氢氧化物（LDHs）、氮化碳、Fe@Graphene、MoS2等），电催化剂（金属、石墨烯、碳、氮化硼(BN)、碳化硼(B4C)、黑磷(BP)、硼、过渡金属氧化物/硫化物/氮化物/磷化物）因其独特的物理、化学和电学性质而成为N₂RR的候选催化剂。与块状催化剂相比，2D催化剂通常具有较短的载流子扩散路径，较高的比表面积和电导率，较多的空位型缺陷和裸露的边缘位置，这有利于光生载流子的分离和N₂分子的吸附和活化。

有鉴于此，深圳大学米宏伟研究员首次对用于光催化和电催化N₂RR的2D催化剂的研究进展进行了综述。

文章要点

1）2D光催化剂具有以下优点：1)可以通过调节层数来调整能带位置；2）极短的载流子扩散路径，大大提高了光生载流子的传输和分离效率；3）大量阴离子空位或金属阳离子空位和活性位点可以暴露在表面以参与光催化反应；4）二维纳米结构上的缺陷有助于缩小禁带，扩大光催化活性中心。由于2D材料的快速发展以及在光催化方面的巨大优势，构建2D结构来提高N₂RR的光催化性能具有重要意义。目前所报道的N₂RR二维光催化剂主要包括TiO₂、铋基材料、层状双氢氧化物(LDHs)、氮化碳(C₃N₄)、Fe@Graphene、MoS₂等。作者对这些 2D 光催化剂进行了总结。

2）N₂RR电催化剂的表面形貌、电子结构和有效活性中心是影响电催化活性的主要因素。通过构建二维纳米结构可以提高其N2RR性能。包括：1)超高的比表面积促进N₂分子的吸附；2）丰富的缺陷位点，如边缘缺陷、拓扑缺陷和空位缺陷，可以作为N2RR的活性位点；3）通过缺陷工程、表面工程和杂原子掺杂来精确调节它们的电子结构，以提高导电性，构建新的活性位点；4）理想的原子层厚度二维模型，这有利于研究活性位点与催化活性之间的关系。作者详细总结了N₂RR常用的2D电催化剂，包括金属、石墨烯/碳/BN/B₄C/BP/B和过渡金属氧化物/硫化物/氮化物/磷化物等。

3）作者最后指出了将2D催化剂用于光催化和电催化N2RR仍面临的几个问题。首先，在工业应用中应考虑NH₃产率、催化剂寿命、NH₃分离和副反应。迄今为止，即使是光催化和电催化中最有效的NH₃产率也远远低于实际应用价值；其次，光催化和电催化N₂RR的机理仍处于初级阶段，急需阐明N2RR活性位点；最后，收集可靠有效的固氮数据，准确检测氨和氮是当务之急。

参考文献

Guoqiang Zhang, Recent Progress in 2D Catalysts for Photocatalytic and Electrocatalytic Artificial Nitrogen Reduction to Ammonia, Adv. Energy Mater. 2021

DOI: 10.1002/aenm.202003294

https://doi.org/10.1002/aenm.202003294