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整治等领域具有重要意义。目前光电催化氨氧化反应主要集中于自由基介导的间接氨氧化策略，往往需要过量的氧化还原媒介（例如过硫酸盐），导致低的电流效率。因此，如何实现高效光电催化直接氨氧化反应仍十分具有挑战性。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学研究所光化学院重点实验室赵进才课题组章宇超团队通过实验和理论研究提出了一种简单有效的氨分子活化策略。研究发现在氨溶液中引入痕量铜离子可以显著加速氨分子的N─H键解离，同时抑制了水氧化反应和光电极的光腐蚀现象，实现了高效的光电催化直接氨氧化反应，为未来利用太阳能和基于氨能实现清洁能源提供了一种新的途径。

在前期研究中，他们着力探索光阳极表面上水氧化反应机理，包括表面反应物种、O─H键断裂、O─O键形成等（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2705; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 3264; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 23849-23858），并将这些机理扩展到氧原子转移反应和氨氮污染物降解，实现了一系列有机和无机化合物的高选择性氧化（Nat. Catal. 2021, 4, 684-691; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202214580）。最近，他们发现在氨溶液中引入痕量（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提升到6.3 mA cm-2@1.23 VRHE，这个数值接近于BiVO4的理论光电流极限；同时抑制了水氧化反应和光腐蚀现象，实现了高达93.8%的氨氧化电流效率。本研究为实现高活性、高选择性、高稳定性的（光）电催化氨分解提供了新的见解。研究成果发表于Angew. Chem. Int. Ed.（https://doi.org/10.1002/anie.202316218）上。文章的第一作者为博士生武磊和李倩倩，通讯作者为章宇超研究员。

转自：“中科院化学所”微信公众号

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