协同氮还原和水氧化过程对于光催化固氮具有重要意义。然而，由于缺乏一定的研究，其耦合机制仍不明确。

近日，华东理工大学张金龙教授，王灵芝教授报道了一种三维（3D）单原子掺铁掺杂的大/介孔TiO2-SiO₂（Fe-T-S）光催化剂，并研究了Fe掺杂对整个氨合成过程的影响。

文章要点

1）研究人员采用蒸发诱导自组装（EISA）方法制备了Fe-T-S。聚苯乙烯（PS）蛋白石由聚苯乙烯球体形成，可作为大孔的硬模板。将Fe-Ti-Si前驱体溶液浇注到PS的间隙中，Ti与Si的摩尔比为4：1。P123胶团被用作介孔的软模板。通过水解和煅烧，PS和P123胶束被除去，从而形成大孔/介孔结构。STEM图像显示，Fe(2%)-T-S催化剂具有均匀有序的多孔结构。

2）实验结果显示，Fe-T-S在没有任何牺牲剂和助催化剂的情况下，氨合成速率高达32 μmol g⁻¹ h⁻¹，是未掺杂样品的4.25倍。Fe掺杂提高了析氧量，抑制了析氢量。

3）实验结果和密度泛函理论（DFT）计算结果显示，在Fe掺杂剂上形成了光诱导的空穴捕获极化子，导致了高价Fe(IV)物种的形成。而单原子Fe(IV)位点负责水的氧化，并有助于促进邻近氧空位上的氮还原。

这项研究揭示了通过掺杂策略实现光催化氮还原与水氧化耦合的关键，为用于氨合成的光催化剂的合理设计提供了重要的指导意义。

参考文献

Shiqun Wu, et al, Single-Atom High-Valent Fe(IV) for Promoted Photocatalytic Nitrogen Hydrogenation on Porous TiO₂‑SiO₂, ACS Catal. 2021

DOI: 10.1021/acscatal.1c00072

https://doi.org/10.1021/acscatal.1c00072