氨是重要的無機化工產品之一, 合成氨工業在國民經濟中佔有重要地位. 液氨可直接用作化肥, 農業上使用的氮肥如尿素, 硝酸銨, 磷酸銨, 氯化銨以及各種含氮複合肥, 都以氨為原料. 合成氨是大宗化工產品之一, 世界每年合成氨產量已達1億噸以上, 其中約80%用於化學肥料, 20%用作其它化工產品的原料. 同時, 所有生物體都需要氮元素來建立蛋白質, 核酸和許多其他生物分子.
氮氣約佔地球氣體的78% , 但不能被大多數生物直接吸收, 因為N-N共價三鍵高的電離能導致其十分穩定. 通過經典的Haber-Bosch工藝將N 2固定在NH 3上必須在鐵基催化劑存在的條件下, 在苛刻的反應條件下進行 (15-25 MPa, 300-550℃) . 提供反應條件需消耗世界能源供應的1-2% , 每年約產生2.3噸二氧化碳. 目前, 用於NH3合成的原料氫氣主要來自甲烷的重整, 每年約消耗世界天然氣產量的3-5% , 並釋放出大量的氧化碳.
鑒於化石燃料短缺和全球氣候變化, 通過減少能源需求過程的固氮是一項具有挑戰性和長期性的目標. 利用太陽能光催化技術將太陽能轉化為化學能, 已被認為是解決未來可再生能源的最佳途徑之一.
二維納米材料因其獨特的層板結構, 大比例暴露活性位等優勢, 在光電催化方面展現了優越性能, 引起科研人員廣泛關注. 層狀雙氫氧化物 (水滑石, LDH) 因其層板由多種組分構成, 層板厚度可調等優勢, 在催化方面展現了可調控性. 中國科學院理化技術研究所研究員張鐵銳團隊通過簡單的共沉澱方法, 製備了一系列MIIMIII-LDH (MII=Mg, Zn, Ni, Cu; MIII=Al, Cr) 納米片光催化劑. X射線吸收精細結構, 低溫電子順磁共振和正電子湮滅壽命測量表明, 超薄LDH納米片由於富氧缺陷, 結構形變和壓縮應變, 增強了對N 2分子的吸附和光生電子從LDH光催化劑轉移到N 2, 從而促進了NH3的有效合成 (特別是CuCr-LDH納米片, 其在500nm處量子產率仍能達到〜0.10% ) . 研究工作顯示, 在常溫常壓和可見光或直接太陽輻射下, 基於LDH將N 2還原成NH 3是極有潛力和希望的新途徑.
研究結果發表在《先進材料》上, 相關研究工作得到了科技部國家重點基礎研究計劃, 國家自然科學基金委優秀青年科學基金項目, 國家自然科學基金委青年基金項目, 國家萬人計劃-青年拔尖人才支援計劃, 中科院戰略性先導科技專項 (B類) 的支援.
