河北北方学院AFM：双S型异质结显著增强空间电荷分离用于光催化固氮合成氨

一、【导读】

氨（NH₃）是化肥、炸药和制药等领域不可或缺的基础原料。目前工业氨生产主要依赖哈柏-博斯（Haber-Bosch）工艺，该工艺在高温高压下进行，消耗全球约1-2%的能源，并伴随大量CO₂排放。光催化氮还原反应（PNRR）为绿色合成氨提供了理想路径，利用太阳能和水直接将N₂还原为NH₃。然而，具有高效空间电荷分离特性的异质结光催化剂的精确设计，仍是该领域面临的一项巨大挑战。

近年来，S型异质结因其在促进光生电荷分离的同时保持强大光氧化还原能力的优势而备受关注。然而，如何将S型结从二元拓展到更高效的多组分体系，进一步提升电荷分离效率，仍是极具挑战性的课题。

二、【成果掠影】

近日，河北北方学院贾晓伟和金占双教授团队联合东北师范大学邢艳教授及长春理工大学王聪副教授，在国际材料领域顶级期刊AFM上发表重要研究论文。该团队巧妙设计并构建了一种新颖的双S型Bi₂O₂CO₃/g-C₃N₄/SrTiO₃（BOC/CN/STO）异质结光催化剂，首次将双S型体系应用于人工光合固氮领域。得益于双S型电子迁移途径以及强大的双内置电场的协同作用，该系统中光生载流子的分离和迁移得到了极大促进。在300 W氙灯照射下，最优BOC/CN/STO光催化剂展现出高达2173.11 µmol g^-1 h^-1的氨生成速率，分别是单一组分BOC、CN、STO的11.98倍、14.05倍和13.37倍。通过能带结构分析、原位XPS、DFT计算、飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）和原位DRIFTS等系统表征，研究团队证实了双S型电荷转移机制，并揭示了固氮反应遵循交替加氢路径。该研究为高效双S型人工光合作用系统的合理设计及可控合成开辟了道路。

 三、【核心创新点】

新策略：首次将双S型异质结应用于光催化固氮，成功构建BOC/CN/STO三元体系，实现了双重S型电荷转移路径。

高性能：氨生成速率高达2173.11 µmol g^-1 h^-1，分别是单一组分BOC、CN、STO的11.98倍、14.05倍和13.37倍。

深机理：结合原位XPS、DFT计算、fs-TAS和原位DRIFTS，系统揭示了双S型异质结中内置电场驱动的空间电荷分离机制及固氮反应路径。

 四、【数据概览】

图1、（A）XRD图谱、（B）FT-IR光谱；（C）Bi 4f、（D）Sr 3d、（E）Ti 2p及（F）O 1s高分辨XPS谱；（G）CN、STO、BOC与BOC/CN/STO的紫外-可见漫反射光谱（UV-vis DRS）；（H）CN、STO和BOC对应的Tauc曲线；（I）CN、STO与BOC的能带结构示意图。

图2、不同催化剂光催化固氮性能测试。（A）CN、STO、BOC、BOC/CN/STO-10、BOC/CN/STO-30、BOC/CN/STO-50、BOC/CN/STO-100和BOC/CN/STO-150的NH₄⁺生成速率；（B）上述样品的NH₄⁺产率；（C）CN、STO、BOC、BOC/CN、CN/STO及BOC/CN/STO-100的NH₄⁺生成速率；（D）上述样品的NH₄⁺产率；（E）可见光下所制备BOC/CN/STO生成NH₄⁺的定量检测曲线；（F）BOC/CN/STO光催化固氮反应后产物浓度；（G）BOC/CN/STO的NH₄⁺产率循环稳定性测试；（H）与已报道光催化固氮效率的对比。

图3、（A）BOC、STO、CN及BOC/CN/STO的PL光谱；（B–E）相应的TRPL光谱；（F）所制备催化剂的EIS测试；（G）BOC/CN 和（H）CN/STO的平面平均电子密度差Δρ(z)；（I）暗态和（J）光照下BOC/CN/STO的三维表面粗糙度；（K）光照条件下BOC/CN/STO的表面电势差。

图4、（A,B）BOC 催化剂、（D,E）CN 催化剂、（G,H）STO 催化剂及（J,K）BOC/CN/STO 三元复合催化剂的瞬态吸收光谱；400 nm激光激发条件下，（C）BOC、（F）CN、（I）STO 与（L）BOC/CN/STO 催化剂的归一化瞬态吸收动力学曲线。

图5、BOC/CN/STO复合材料的（A）Bi 4f、（B）Sr 3d及（C）N 1s高分辨XPS谱；三元材料中（D）BOC、（E）CN与（F）STO的静电势分布；（G）光照条件下BOC/CN/STO双S型异质结的电荷转移机制示意图；BOC/CN/STO表面N₂还原吸附的原位漫反射红外光谱（in situ DRIFTS）：（H）二维谱图、（I）二维谱图彩色投影图。

五、【成果启示】

本研究通过简单的多步溶剂热法成功构建了双S型BOC/CN/STO异质结。所构建的双S型电荷转移机制产生了强大的内部电场和高效的电子迁移路径，优化了光生载流子的分离和转移效率，实现了高达2173.11 μmol g^-1 h^-1的氨生成率。

这项工作不仅在材料设计上实现了从单S型到双S型的突破，更重要的是，通过多种先进表征手段（原位XPS、fs-TAS、KPFM、DFT计算等）系统揭示了双S型异质结中电荷分离与转移的物理图像，为人工光合氮固定中双S型异质结的合理设计和精确构建提供了新的见解，为可持续的氨合成提供了可行路径。

原文详情：

M. Han, M. Sun, et al. “Spatially Engineered Dual S-Scheme Heterojunctions with Significantly Enhanced Space Charge Separation for Boosting Artificial Photosynthetic Nitrogen Fixation,” Adv. Funct. Mater. 2026, e74936.

DOI: 10.1002/adfm.74936

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.74936

作者信息：

共同第一作者：韩梦、孙明亮

通讯作者：贾晓伟、王聪、金占双、邢艳