高效光催化固氮S型異質結：強化活性氫供給|NSR

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研究者透過構築S型異質結介面處雙活性位點，協同強化活性氫供給及N_₂吸附與活化，結合S型異質結的高電荷分離效率和獨特口袋狀結構的強傳質能力，顯著提升了光催化固氮合成氨的效能。相關成果發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR），華東師範大學碩士生包彤為論文的第一作者，華東師範大學劉超研究員和餘承忠教授為共同通訊作者。

光催化固氮示意圖

光催化固氮是合成氨的有效策略之一。然而，設計製備兼具高電荷分離效率及N₂吸附/活化能力的光催化劑仍面臨挑戰。該文合成了一種口袋狀S型CoS_x/ZnS異質結材料（P-CoS_x/ZnS）。該材料兼具活性氫供給及N₂吸附的介面Zn/Co雙功能活性位點、優異的電荷分離及傳質能力，因而顯示出優異的光催化固氮活性，在純水體系中氨產率達1175.37 μmol g_cat^-1 h^-1。

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催化劑合成

研究者以三元金屬有機框架NH₂-MIL-125@ZIF-8@ZIF-67為前驅體，硫代乙醯胺為硫源，透過順序硫化轉化過程，製備得到P-CoS_x/ZnS異質結材料。表徵結果顯示P-CoS_x/ZnS由ZnS奈米晶均勻附著於無定形CoS_x單開口中空奈米籠表面組合而成，呈現出類似口袋狀的獨特奈米結構。

P-CoS_x/ZnS結構表徵

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光催化固氮效能

在純水體系下，P-CoS_x/ZnS的光催化氨產率達1175.37 μmol g_cat^-1 h^-1，分別是ZnS（205.98 μmol g_cat^-1 h^-1），CoSx（276.67 μmol g_cat^-1 h^-1）及封口狀CoS_x/ZnS（730.65 μmol g_cat^-1 h^-1）的5.71，4.25及1.61倍，也高於大多數文獻已報道的光催化劑，表明構築異質結介面及設計開口奈米結構可顯著增強光催化固氮活性。此外，P-CoS_x/ZnS還展現出優異的穩定性，5次迴圈後氨產率仍然保持在1151.59 μmol g_cat^-1 h^-1。

P-CoS_x/ZnS固氮效能測試

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增效機理分析

TPD及EPR實驗結果顯示，異質結的形成可同時強化N₂的化學吸附及活性氫的供給。理論計算結果發現在形成異質結後，Zn中心電子向Co轉移，形成缺電子的Zn位點和富電子的Co位點，前者增強了P-CoS_x/ZnS對N₂分子的吸附，後者則增強了材料對H₂O分子的吸附，進而促進水分解以增強活性氫的產生，二者協同作用降低N₂分子吸附、活化及加氫的能壘，提升光催化固氮效能。