中国科学院化学研究所章宇超团队在光电催化氨氧化反应研究方面取得新进展

中国科学院化学研究所章宇超团队在光电催化氨氧化反应研究方面取得新进展

高效光电催化氨氧化反应对于太阳能制氢和氨氮废水处理等领域具有重要意义。 目前，光电催化氨氧化反应主要集中在自由基介导的间接氨氧化策略，该策略往往需要过量的氧化还原介质（如过硫酸盐），导致电流效率低。 因此，如何实现高效的光电催化直接氨氧化反应仍然非常具有挑战性。

在国家自然科学基金委、科技部和中科院的支持下，化学所光化学重点实验室赵金才课题组张玉超课题组提出了一种简单有效的活化方法通过实验和理论研究氨分子的策略。 研究发现，在氨溶液中引入微量铜离子，可以显着加速氨分子N─H键的解离，同时抑制光电极的水氧化反应和光腐蚀，实现高效的光电催化氨直接氧化反应，前景广阔利用太阳能和氨基能源提供了清洁能源的新途径。

在前期研究中，他们重点探索光阳极表面的水氧化反应机理，包括表面活性物种、O─H键断裂、O─O键形成等(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2705;J. Soc. 2018, 140, 3264; J. Soc. 2023, 145, 23849-23858)，并将这些机制扩展到氧原子转移反应和氨氮污染物降解。有机和无机化合物的高选择性氧化系列(Nat. Catal. 2021, 4, 684-691; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, )。 最近，他们发现在氨溶液中引入微量（0~10 ppm）铜离子可以将BiVO4光阳极上氨氧化反应的光电流密度从3.4 mA cm-2@1.23 VRHE提高到6.3 mA cm-2@1.23 VRHE，接近于BiVO4的理论光电流极限； 同时抑制水氧化反应和光腐蚀现象，氨氧化电流效率高达93.8%。 这项研究为实现高活性、高选择性和高稳定性的（光）电催化氨分解提供了新的见解。 研究结果发表在Angew上。 化学。 国际。 埃德。 ()。 文章第一作者为博士生吴磊和李倩倩，通讯作者为张玉超研究员。