通讯作者林波、刘铮、狄俊通讯单位西安交通大学、新加坡南洋理工大学、南京理工大学论文DOI10.1002/adfm.771691. 背景氨NH3是化肥、化工和潜在清洁能源载体的重要基础分子但传统Haber-Bosch合成依赖高温高压能耗高且设备复杂。以硝酸盐NO3-为氮源的光催化还原制氨兼具含氮废水资源化和温和条件合成NH3的双重价值但仍受限于催化剂光吸收不足、光生电荷复合快以及关键中间体活化困难。二维原子层材料具有短载流子迁移距离和高比表面积单原子位点则可在原子尺度调控反应路径若能进一步构筑非对称活性位点并形成局域极化电场有望同时促进电荷分离和NO3-还原关键步骤。2. 论文概要2026年7月17日西安交通大学林波、新加坡南洋理工大学刘铮、南京理工大学狄俊团队在期刊《Advanced Functional Materials》发表论文该研究利用金属基离子液体作为Fe源通过快速焦耳加热方法将Fe单原子引入BCN原子层构筑了B空位耦合FeB2N3配位的非对称关联位点Fe-BCN。该结构一方面在界面产生局域电荷重分布和极化电场促进光生电荷分离另一方面通过B空位与FeB2N3位点协同将关键*NO2中间体的界面相互作用由p-p相互作用转化为d-p相互作用增强Fe 3dz2轨道与*NO2的2b1反键轨道杂化使限速步骤能垒由0.85 eV降至0.44 eV。优化样品Fe-BCN-2在紫外-可见光下NO3-还原制NH3速率达到872.1 µmol g-1 h-1分别是BCN和BN的8.8倍和58.5倍在全波长照射下NH3生成速率提升至1566.4 µmol g-1 h-1负载于三聚氰胺泡沫形成的Fe-BCN-2器件也达到1182.5 µmol g-1 h-1显示出快速构筑非对称单原子位点的应用潜力。3. 图文解读图1 Fe-BCN-2的焦耳加热合成与原子级结构表征图1展示Fe-BCN-2的形成过程和形貌结构BCN原子层与Fe基离子液体经煅烧和焦耳加热处理后引入Fe单原子并形成B空位耦合FeB2N3关联位点。TEM显示BCN和Fe-BCN-2均保持柔性超薄片层结构HAADF-STEM中未见Fe纳米颗粒或团聚单个亮点可归属为Fe单原子EDS元素映射表明B、C、N和Fe均匀分布说明焦耳加热可在保留二维骨架的同时实现Fe原子级分散。图2 Fe单原子的价态与局域配位结构图2通过XPS、Fe K-edge XAFS、EXAFS拟合和小波变换解析Fe的电子态与局域结构。Fe 2p与XANES结果表明Fe平均价态介于Fe2和Fe3之间EXAFS中未出现明显Fe-Fe散射峰说明Fe主要以单原子形式存在。拟合和小波变换结果支持Fe同时与B/N配位形成FeB2N3结构为“B空位-FeB2N3”非对称关联位点提供了关键证据。图3 光催化硝酸盐还原制氨性能与载流子动力学图3显示Fe-BCN-2在NO3-光还原制NH3中性能最优在紫外-可见光下NH3生成速率为872.1 µmol g-1 h-1且48 h循环后仍保持良好活性15N同位素核磁证明产物NH3来自NO3-。在全波长照射下Fe-BCN-2速率达到1566.4 µmol g-1 h-1并表现出近红外光热响应瞬态吸收结果表明Fe-BCN-2具有更长的电荷捕获和复合相关寿命有利于光生电子参与还原反应。图4 非对称位点促进电荷分离与关键中间体活化图4从理论计算和表面电势测量揭示活性来源引入Fe后BCN局域电子分布明显不均一B空位耦合FeB2N3位点形成更强极化电场KPFM结果也显示光照下表面电势变化。自由能图表明Fe-BCN沿更有利路径降低NO3-还原能垒COHP和电荷密度差分进一步说明Fe位点增强对*NO2的轨道相互作用使*NO2转化更容易从而解释其高NH3生成速率。4. 总结展望这项工作将金属基离子液体与快速焦耳加热结合实现了Fe单原子在BCN原子层上的快速分散并进一步构筑B空位耦合FeB2N3非对称关联位点证明非对称电荷分布、局域极化电场和关键*NO2中间体轨道相互作用调控可协同提升光催化硝酸盐制氨效率。面向后续发展仍需进一步明确焦耳加热过程中Fe单原子形成与B空位耦合的动态机制优化NO2-等中间体积累问题并在真实含硝废水、连续流反应器和更大面积光催化器件中验证其稳定性、选择性和工程放大可行性。文献信息Y. He, H. Xiao, Y. Zhang, et al. “ Building Asymmetric B Vacancy Coupled FeB2N3 Associate Site by Joule Heating Metal-Based Ionic Liquid for Enhanced Full Wavelength Photosynthesis of Ammonia.” Advanced Functional Materials (2026): e77169. https://doi.org/10.1002/adfm.77169
西安交通大学/南洋理工大学/南京理工大学AFM：毫秒至秒级焦耳加热打造FeB₂N₃非对称位点，高效全波长光催化制氨
发布时间：2026/7/22 16:04:12
通讯作者林波、刘铮、狄俊通讯单位西安交通大学、新加坡南洋理工大学、南京理工大学论文DOI10.1002/adfm.771691. 背景氨NH3是化肥、化工和潜在清洁能源载体的重要基础分子但传统Haber-Bosch合成依赖高温高压能耗高且设备复杂。以硝酸盐NO3-为氮源的光催化还原制氨兼具含氮废水资源化和温和条件合成NH3的双重价值但仍受限于催化剂光吸收不足、光生电荷复合快以及关键中间体活化困难。二维原子层材料具有短载流子迁移距离和高比表面积单原子位点则可在原子尺度调控反应路径若能进一步构筑非对称活性位点并形成局域极化电场有望同时促进电荷分离和NO3-还原关键步骤。2. 论文概要2026年7月17日西安交通大学林波、新加坡南洋理工大学刘铮、南京理工大学狄俊团队在期刊《Advanced Functional Materials》发表论文该研究利用金属基离子液体作为Fe源通过快速焦耳加热方法将Fe单原子引入BCN原子层构筑了B空位耦合FeB2N3配位的非对称关联位点Fe-BCN。该结构一方面在界面产生局域电荷重分布和极化电场促进光生电荷分离另一方面通过B空位与FeB2N3位点协同将关键*NO2中间体的界面相互作用由p-p相互作用转化为d-p相互作用增强Fe 3dz2轨道与*NO2的2b1反键轨道杂化使限速步骤能垒由0.85 eV降至0.44 eV。优化样品Fe-BCN-2在紫外-可见光下NO3-还原制NH3速率达到872.1 µmol g-1 h-1分别是BCN和BN的8.8倍和58.5倍在全波长照射下NH3生成速率提升至1566.4 µmol g-1 h-1负载于三聚氰胺泡沫形成的Fe-BCN-2器件也达到1182.5 µmol g-1 h-1显示出快速构筑非对称单原子位点的应用潜力。3. 图文解读图1 Fe-BCN-2的焦耳加热合成与原子级结构表征图1展示Fe-BCN-2的形成过程和形貌结构BCN原子层与Fe基离子液体经煅烧和焦耳加热处理后引入Fe单原子并形成B空位耦合FeB2N3关联位点。TEM显示BCN和Fe-BCN-2均保持柔性超薄片层结构HAADF-STEM中未见Fe纳米颗粒或团聚单个亮点可归属为Fe单原子EDS元素映射表明B、C、N和Fe均匀分布说明焦耳加热可在保留二维骨架的同时实现Fe原子级分散。图2 Fe单原子的价态与局域配位结构图2通过XPS、Fe K-edge XAFS、EXAFS拟合和小波变换解析Fe的电子态与局域结构。Fe 2p与XANES结果表明Fe平均价态介于Fe2和Fe3之间EXAFS中未出现明显Fe-Fe散射峰说明Fe主要以单原子形式存在。拟合和小波变换结果支持Fe同时与B/N配位形成FeB2N3结构为“B空位-FeB2N3”非对称关联位点提供了关键证据。图3 光催化硝酸盐还原制氨性能与载流子动力学图3显示Fe-BCN-2在NO3-光还原制NH3中性能最优在紫外-可见光下NH3生成速率为872.1 µmol g-1 h-1且48 h循环后仍保持良好活性15N同位素核磁证明产物NH3来自NO3-。在全波长照射下Fe-BCN-2速率达到1566.4 µmol g-1 h-1并表现出近红外光热响应瞬态吸收结果表明Fe-BCN-2具有更长的电荷捕获和复合相关寿命有利于光生电子参与还原反应。图4 非对称位点促进电荷分离与关键中间体活化图4从理论计算和表面电势测量揭示活性来源引入Fe后BCN局域电子分布明显不均一B空位耦合FeB2N3位点形成更强极化电场KPFM结果也显示光照下表面电势变化。自由能图表明Fe-BCN沿更有利路径降低NO3-还原能垒COHP和电荷密度差分进一步说明Fe位点增强对*NO2的轨道相互作用使*NO2转化更容易从而解释其高NH3生成速率。4. 总结展望这项工作将金属基离子液体与快速焦耳加热结合实现了Fe单原子在BCN原子层上的快速分散并进一步构筑B空位耦合FeB2N3非对称关联位点证明非对称电荷分布、局域极化电场和关键*NO2中间体轨道相互作用调控可协同提升光催化硝酸盐制氨效率。面向后续发展仍需进一步明确焦耳加热过程中Fe单原子形成与B空位耦合的动态机制优化NO2-等中间体积累问题并在真实含硝废水、连续流反应器和更大面积光催化器件中验证其稳定性、选择性和工程放大可行性。文献信息Y. He, H. Xiao, Y. Zhang, et al. “ Building Asymmetric B Vacancy Coupled FeB2N3 Associate Site by Joule Heating Metal-Based Ionic Liquid for Enhanced Full Wavelength Photosynthesis of Ammonia.” Advanced Functional Materials (2026): e77169. https://doi.org/10.1002/adfm.77169
