Hur kan en fotokatalysator omvandla kväve till ammoniak med vatten och ljus? Med internationellt samarbete, forskare från Kina och Singapore har undersökt den senaste tekniken av fotokatalysatorer för kväve (N2) fixering för att förstå syntesen av ammoniak (NH3). Arbetet har redovisats i Material Horizons .

N2 är en av de mest förekommande gaserna på jorden, utgör 78 procent av atmosfären. Ändå, N2 i gasform kan inte effektivt utnyttjas av de flesta organismer. Därför, N2 måste "fixas" för att göra det användbart genom att bryta de ultrastarka N≡N-trippelbindningarna för att omvandla det till en form som kan konsumeras av växter, djur och människor. Hittills, det finns två typiska metoder för att realisera fixeringen av N2. Den ena är en naturlig och bakteriell process, och en annan, Haber-Bosch-processen, är syntetisk. Under de senaste 100 åren, N2-omvandlingen har lett till storskalig produktion av konstgödsel och upprätthållit tillgången på matintag för den globala befolkningen.

"Haber-Bosch-processen använder höga temperaturer och tryck, vilket kräver en enorm mängd (cirka 2 procent) av världens tillgång till fossila bränslen. Därför, vi föreställer oss att en alternativ process som använder nanomaterial som absorberar ljusenergi för att efterlikna den naturliga fotosyntesen i växter skulle kunna fungera som ett paradigmskifte för att fixera kväve, " sa Dr Wee-Jun Ong, en forskare från Institutet för materialforskning och teknik (IMRE).

"Jämfört med den termokemiska katalytiska processen, artificiell fotosyntes ses som en hållbar väg för att lagra förnybar solenergi i form av energitäta kemiska produkter, " Sa Ong. "Den termodynamiska icke-spontana reaktionen kan uppnås via en kombination av vattendelning och N2-reduktion över en fotokatalysator i närvaro av solljus, " han förklarade.

I ett nyligen publicerat papper i Material horisonter , Ong och hans kollegor presenterar en lägesrapport för fotokatalytisk fixering av N2, som naturligt utlöses av mikrobers verkan. "Vi klassificerar fotokatalysatorerna baserat på de kemiska sammansättningarna som sträcker sig från metalloxid till metallsulfid, vismutoxihalider, kolhaltiga nanomaterial och andra potentiella material. Vi lyfter fram vikten och förhållandet mellan modifieringen - t.ex. nanoarkitektur design, kristallfasettteknik, doping, och heterostrukturering - och inflytande på den fotokatalytiska aktiviteten hos de designade katalysatorerna, " konstaterar Xingzhu Chen, tidningens första författare, som sammanfattar resultaten.

"Att döma av den befintliga litteraturen i denna forskningsplattform vid denna tidpunkt, datorstödda katalysatorer designade via kvantkemiska beräkningar för N2-fotofixering skulle vara ett robust verktyg för att simulera elektroniska tillstånd och reaktionsvägar mot utmärkt solljusabsorption och selektiv prestanda för katalys, " sa Ong.

Även om det finns många faktorer som hindrar klyvningen och hydreringen av N2 för närvarande, reaktionsförhållandena har blivit mildare med åren – luft och synligt ljus antogs gradvis som kväve och ljuskälla istället för ren kväve och ultraviolett (UV) bestrålning. Dock, insikter i den fotokatalytiska reaktionsmekanismen har hittills varit otillräckliga, trots komplexiteten i N2 -fixeringsreaktionen. "Avancerade in situ- eller operando-karakteriseringstekniker är nödvändiga för att undersöka de atomära insikterna i reaktivitet samt för att förstå laddningsbärardynamiken i det exciterade tillståndet, " sa Ong.

Vad kommer härnäst? Forskare hoppas kunna översätta från laboratorieskala till industriella tillämpningar, och förstärka utbytet av katalysatorer med bibehållande av de inneboende strukturerna för kommersialisering av förnybar ammoniak.

Dr Ong sa, "Om man tittar på de långsiktiga utsikterna, vi är säkra på att vårt arbete kommer att utgöra en viktig grund för nästa forskningsepok, inte bara i den fotokatalytiska N2-fixeringen, specifikt, men också inom de tvärvetenskapliga områdena kemi, materialvetenskap, energiomvandling och energilagring."

Förutom soldriven N2-fixering, Dr Ong, Prof. Li och deras team har letat efter den smarta designen av fotokatalysatorer som kan göra H2O-delning och CO2-reduktion mer effektiv och hållbar genom solenergi via experimentella och beräkningsanalyser. Arbete med omvandling av sol-till-energibränslen pågår.