Solljus aktiverar elektroner för att bryta kväve och bilda ammoniak genom en process som kallas fotokatalytisk kvävefixering. Denna process involverar användning av ett halvledarmaterial, såsom titandioxid (TiO2), som en katalysator för att omvandla kvävgas (N2) och vatten (H2O) till ammoniak (NH3). Här är en allmän översikt över hur denna process fungerar:

1. Ljusabsorption :När solljus träffar halvledarmaterialet, som TiO2, absorberas energin från fotonerna av materialets elektroner. Detta gör att elektronerna blir exciterade och rör sig från valensbandet till ledningsbandet, vilket skapar ett positivt laddat hål i valensbandet.

2. Debiteringsseparering :De exciterade elektronerna och positivt laddade hålen migrerar till motsatta sidor av halvledarmaterialet. Elektronerna rör sig mot materialets yta, medan hålen rör sig mot det inre.

3. Vattenklyvning :På ytan av halvledarmaterialet reagerar de exciterade elektronerna med vattenmolekyler. Denna reaktion delar upp vattenmolekylerna i vätejoner (H+) och syre (O2).

4. Kvävereduktion :På samma yta reagerar de positivt laddade hålen med kvävgasmolekyler. Denna reaktion bryter den starka trippelbindningen mellan kväveatomer i N2-molekylen och bildar reaktiva kvävearter.

5. Ammoniakbildning :Vätejonerna som produceras från vattenklyvning reagerar med de reaktiva kväveämnena för att bilda ammoniak. Denna reaktion sker på ytan av halvledarmaterialet, och ammoniakmolekylerna släpps ut i den omgivande miljön.

Den fotokatalytiska kvävefixeringsprocessen kan optimeras genom att kontrollera olika faktorer såsom typen av halvledarmaterial, materialets ytarea, ljuskällans intensitet och närvaron av ytterligare katalysatorer eller promotorer. Forskning inom detta område pågår för att förbättra effektiviteten och praktiska tillämpningar av denna teknik för hållbar ammoniakproduktion.