氨与硝酸作为多元工业原料及新式清洁动力载体，为可持续开展勾勒出宽广图景。但是，哈伯-博施与奥斯特瓦尔德工艺在发明巨大经济价值的一起，这两种工艺排放的巨量二氧化碳副产物却好像，持续加重着温室效应的生态危机。在此布景下，于温文条件下构建碳中和固氮途径的探究，已成为科学界群雄逐鹿的前沿范畴。其间，太阳能驱动的光催化固氮技能犹如一颗冉冉升起的新星，以其共同的清洁特点展现出令人瞩目的开展的潜在才能。本总述系统梳理了规划化温文光催化固氮的优化战略，深化发掘了该范畴的立异机会。研讨聚集于打破催化剂本征功能瓶颈，经过从光催化进程的微观机理解析下手，结合元素挑选的科学办法论与功能模块的精细规划，构建起完好的催化剂规划理论结构。系统阐述了光生载流子行为调控、活性位点精准构建的中心科学问题，是经过引进原位表征技能与多规范模仿办法完成的。研讨进一步提出了包含催化剂理性规划原则、活性点评规范系统及扩大工艺优化战略的三维立异途径，为该范畴的技能打破指明晰方向。经过批判性审视当时面对的催化剂安稳性、挑选性及能量转化功率缺乏等要害应战，结合可再次出产的动力耦合的立异思路，展望了该技能在“双碳”目标下的战略价值。本文旨在为科研作业者供给具有启示性的理论视角与办法论东西，推进光催化固氮技能完成从试验室到产业化的跨越式开展，助力构建可持续的氮循环新生态。

  工业氨组成依靠百年前的Haber-Bosch工艺，需高温(300-400℃)、高压(200 atm)和化石燃料驱动，每吨氨排放1.9吨CO。硝酸出产依靠Ostwald工艺，相同面对高碳排应战。全球每年经过H-B工艺组成超1.5亿吨氨，占人类活动碳排放总量的1.8%。在碳中和布景下，开发温文条件下直接使用太阳能驱动氮气(N)转化为氨(NH)或硝酸(HNO)的光催化技能，成为全世界科研焦点。

  自然界中，固氮酶经过Fe-Mo辅因子在常温常压下高效复原N，但其安稳性差、难以规划化。受此启示，光催化固氮经过半导体资料吸收太阳光发生电子-空穴对，驱动N分子活化与转化。

  解离机制：N≡N键先开裂为两个N原子，再独立加氢(Haber-Bosch途径)。

  图2 (a)主张的氢化物复原程序和大多数固氮酶活性部位的NRR。(b) N中的BN≡N三键一般坚持完好，直到NH构成。N以两种构型吸附在催化剂上。(c) N分子首要解离，裂解N≡N键发生吸附的N物种，随后逐渐氢化构成NH。

  在动力转型与环境可持续性的驱动下，光催化固氮技能十分重视，催化剂的开发和优化是要害。科研团队获得开展，推进其商业化使用。催化剂功能决议固氮功率与效益，活性中心和载体是中心。活性中心挑选重视本钱，如铁(Fe)和铋(Bi)因价格低、活性好被选；功能上，选对氮分子吸赞同活化才能强的元素，贵金属前进涣散率，非贵金属重结构和组合；安稳性上，选化学性质安稳元素防失活。载体挑选也重本钱、功能、安稳性和环保。现在，以TiO、BiOCl等为载体，Fe、Bi等为活性中心的催化剂有工业化远景，但优化仍是系统工程。科研团队会持续探究，推进光催化固氮技能使用，助力动力转型与环保。

  图4 适用于构建大规划固氮光催化剂的元素分类和使用战略。催化剂一般由活性中心和载体资料组成。每一个独自的元素或支撑资料在四个维度上做评价：本钱、活动性、安稳性和环境友好性。关于非贵金属、贵金属、非金属和半金属，催化活性基准以铁为基准。对各种催化剂体或载体资料，基准参照TiO设定。

  在光催化固氮技能这一新式范畴，从试验室研讨迈向工业使用，树立规范化的试验程序、仪器办法和产品剖析协议至关重要。这不仅有助于增强科学作业的可重复性和可比性，还能促进学术界对光催化功率和潜在机制的深刻理解。此外，选用规范化协议有助于战胜技能妨碍，促进从试验室规划的立异过渡到可扩展的工程解决方案。这些协议的施行增强了光催化技能在市场上的竞赛优势，推进了工业部门的前进，并为此类技能的商业可行性供给了必要的技能和监管辅导的坚实基础。先进自动化和人工智能的集成，以RoboChem等渠道为例，大幅度的提高了研讨作业的功率。一起，规范化操作规程还保证了所涉进程的安全和环境可持续性，为方针拟定和监管监督供给了要害的技能结构，然后增强了相关立法办法的可执行性。

  图5 光固氮从试验室向规划化出产过渡的结构，用以辅导多相光催化的产业化。在试验室部分，规范化进程包含试验协议(程序、条件，如光设置、催化剂和反应器设置，以及进程剖析，如产率和约束进程)。催化剂规划触及根据第一性原理的挑选和优化，包含各种光催化剂类型，并模仿带结构和功能联系。在扩大部分，进程包含操作协议和接口规划，重点是气体吸附、结构调整和潮湿性调整。

  WO纳米片(100)面：耦合有机半金属C(CN)，构成电子泵结构，光电流密度提高3倍。

  (1)全生命周期环境评价：研讨着重，光催化固氮技能的规划化需统筹环境可持续性。包含：工艺优化、废弃物办理、碳脚印剖析。

  散布式氨经济：乡村场景，光伏驱动小型反应器(日产氨10 kg)代替传统化肥运送；海洋渠道，耦合海水电解制氢，完成海水中N→绿氨一体化出产。

  包含电催化、动力资料、电化学等方向，详细触及燃料电池催化剂、锂硫电池、甲醇电化学精粹技能等研讨。

  首要从事新式纳米资料的制备、生物纳米电化学、生物传感器、分子光谱剖析、金属资料腐蚀与防护等范畴的研讨。

  掌管有国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金委员会与韩国科学与工程基金会世界合作研讨项目、重庆市自然科学基金重点项目等多项课题。在《Nat. Common.》《Energy Environ. Sci.》《Nano-Micro Lett.》《Adv.Funct.Mater.》《ACS Catal.》《Nano Energy》《Mater. Horiz.》《Small》等国内外闻名学术期刊上宣布170多篇论文，超150篇被SCI录入。其团队“新式金属资料缓蚀剂的规划及抗蚀机理研讨”荣获2023年度重庆市自然科学三等奖。

  Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature敞开获取(open-access)出书的学术期刊，首要报导纳米/微米规范相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包含微纳米资料与结构的组成表征与功能及其在动力、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等范畴的使用研讨。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库录入，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，我国科学院期刊分区1区Top期刊。屡次荣获“我国最具世界影响力学术期刊”、“我国高校出色科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“我国出书政府奖期刊奖提名奖”。欢迎重视和投稿。

  上一篇：合肥工大沈王强&华科卢兴等：金属单原子协同钴团簇负载于纳米碳骨架完成高效过氧化氢电组成

  姑苏纳米所张珽团队：生物安排启示的超软、超薄、力学增强的电纺纤维复合凝胶柔性电子

  郑州大学冯跃战等：用于宽频强电磁波吸收的层状复合资料，吸收-反射-透射功率系数引导梯度散布

  陕西科技大学王学川&刘新华等总述：动态辐射热办理的加快速度进行开展—基础知识、切换办法、使用和应战

  澳门大学钟俊文等：用于VR环境中的非触摸式轻浮柔性和风感发生器

  喜报！NML当选“2025年我国科学院期刊分区”1区TOP期刊

  佘远斌院士等：应力诱导外表界面双极化构建高密度活性位点，提高光催化CO复原才能

  姑苏纳米所张珽团队：生物安排启示的超软、超薄、力学增强的电纺纤维复合凝胶柔性电子

  郑州大学冯跃战等：用于宽频强电磁波吸收的层状复合资料，吸收-反射-透射功率系数引导梯度散布

  陕西科技大学王学川&刘新华等总述：动态辐射热办理的加快速度进行开展—基础知识、切换办法、使用和应战

  澳门大学钟俊文等：用于VR环境中的非触摸式轻浮柔性和风感发生器

  喜报！NML当选“2025年我国科学院期刊分区”1区TOP期刊

  佘远斌院士等：应力诱导外表界面双极化构建高密度活性位点，提高光催化CO复原才能

  聚集学术杰出，2025年MDPI Topics Award——最佳专题奖重磅来袭！

  2025年免出书费！Digital Twin期刊全新晋级上线

  姑苏纳米所张珽团队：生物安排启示的超软、超薄、力学增强的电纺纤维复合凝胶柔性电子