从氮气直接合成含氮有机化合物

作为与人类文明和生存密切相关的重大研究方向,温和条件下氮气的活化与转化（固氮）研究在1970~1990年代曾经是国际上备受关注的研究领域.但是,由于该领域极具挑战性,研究进展缓慢以及世界学术文化的变化,进入21世纪以来从事相关基础研究工作的化学研究者急剧减少.然而,毋庸置疑,实现温和条件下氮气的活化与转化是人类需要解决的重大科学问题,是人类社会可持续发展的要求,是科学家尤其是化学家最重要的使命之一.将氮气直接转化为含氮有机化合物是氮气的直接应用之一,本综述总结和归纳了文献报道的金属促进的以氮气为原料直接生成含氮有机化合物的转化方法和反应机理,产物主要包括胺类,酰胺类,酰亚胺类,腈类,二氮烯类,连氮类,碳二亚胺类,异氰酸酯类及杂环类有机化合物.本综述不包括将氮气转化成氨气和部分还原及质子化产物的文献.     

Cd掺杂δ-Bi2O3纳米片的制备及其光催化固氮性能

采用一步醇热法制备了Cd掺杂δ-Bi_2O_3,并用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)等手段对其微观结构、表面元素、能带结构、光电化学性质等进行表征。结果表明Cd掺杂δ-Bi_2O_3是由二维纳米片组装而成的微球,Cd以Cd2+形式掺杂在δ-Bi_2O_3晶格间隙。由于Cd的掺杂,δ-Bi_2O_3禁带宽减小,光响应范围扩大,光生载流子的传递与分离效率提高。在常温常压下,考察了Cd-δ-Bi_2O_3可见光催化固氮效果,结果表明,光照3 h时,6%Cd-δ-Bi_2O_3的光催化固氮速率为1.6 mmol·g~(-1)·h~(-1)·L~(-1),是δ-Bi_2O_3的10.67倍。Cd的掺杂点会成为光生电子的陷阱,延缓光生电子的表面传递,增强目标分子的化学吸附。     

Keggin型多酸负载的单原子催化剂(M1/POM,M = Ni,Pd, Pt,Cu, Ag,Au, POM = [PW12O40]3-)活化氮气分子的密度泛函理论计算研究

采用量子化学密度泛函理论(DFT)结合自然键轨道(NBO)分析的方法对一系列以多酸为载体的单原子催化剂(SACs)(M₁/POM (M = Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, POM = [PW₁₂O₄₀]^3-)的分子几何、电子结构及红外光谱进行计算。结果表明,Pt₁/POM对N₂分子具有潜在的活化能力,Pt₁/POM与N₂相互作用主要来自于由金属Pt的d_xz和d_yz轨道与N₂的π^*反键轨道重叠,金属Pt的d_xz、d_yz轨道上的电子填充到了氮气的π^*反键轨道上弱化了N≡N成键,导致了N≡N之间的键长增大,有效的活化了氮气分子。对它们红外光谱的分析表明,Keggin型多酸负载金属后W―O_c―W振动吸收峰发生劈裂,产生了五个典型的红外特征吸收峰。     

氧化物钙钛矿的光催化研究进展：CO2还原、水裂解、固氮

At present, more than 80% of the world's energy demand is fulfilled by the burning of fossil fuels, which has caused the production of a large amount of greenhouse gases, leading to global warming and damage to the environment. The high consumption of fossil fuels every year causes the energy crisis to become increasingly serious. Finding a sustainable and pollution-free energy source is therefore essential. Among all forms of energy sources, solar energy is preferred because of its cleanliness and inexhaustible availability. The energy provided by one year of sunlight is more than 100 times the total energy in known fossil fuel reserves worldwide; however, the extent of solar energy currently used by mankind each year is minute; thus developments in solar energy are imperative. To address the urgent need for a renewable energy supply and to solve environmental problems, a variety of technologies in the field of photocatalysis have been developed. Photocatalytic technology has attracted significant attention because of its superior ability to convert clean solar energy into chemical fuels. Among the photocatalytic materials emerging in an endless stream, perovskite oxide, with the general formula of ABO₃, has great potential in the fields of solar cells and photocatalysis as each site can be replaced by a variety of cations. Furthermore, owing to its unique properties such as high activity, robust stability, and facile structure adjustment, perovskite oxide photocatalysts have been widely used in water decomposition, carbon dioxide reduction and conversion, and nitrogen fixation. In terms of carbon dioxide reduction, oxide perovskites can achieve precise band gap and band edge tuning owing to its long charge diffusion length and flexibility in composition. For the development and utilization of solar energy in the environmental field, perovskite oxide and its derivatives (layered perovskite oxide) are used as photocatalysts for water decomposition and environmental remediation. In terms of nitrogen fixation, the conventional Haber-Bosh process for ammonia synthesis, which has been widely used in the past, requires high temperature and high energy. Therefore, we summarize the recent advances in perovskite oxide photocatalysts for nitrogen fixation from the aspect of activating the adsorbed N₂ by weakening the N $ \equiv $N triple bond, promoting charge separation, and accelerating the charge transfer to the active sites to realize the photochemical reaction. Overall, this review article presents the structure and synthesis of perovskite oxide photocatalysis, focusing on the application of photocatalysis in water splitting, carbon dioxide reduction, and nitrogen fixation. This review concludes by presenting the current challenges and future prospects of perovskite oxide photocatalysts.      

镍掺杂石墨相氮化碳的熔盐辅助微波法制备及光催化固氮性能

采用熔盐辅助微波法制备了可见光下具有优越光催化固氮性能的镍掺杂石墨相氮化碳.采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、氮气吸附-脱附、紫外-可见光谱(UV-Vis)、X射线光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)、程序升温脱附(TPD)和电化学阻抗谱(EIS)等手段对催化剂进行了表征.结果表明,熔盐辅助微波法使氮化碳催化剂从层状结构变为纳米颗粒状,并相互紧密堆积形成很多二次孔,增大了催化剂的比表面积.同时,在催化剂制备过程中,熔盐包裹住了催化剂原料,避免了镍离子与氧气的接触,使镍离子呈现出活性的Ni(Ⅰ)—N态和非活性的氧化镍态2种存在形式.Ni(Ⅰ)—N作为反应活性中心,能有效捕获光电子,提高电子-空穴分离效率,促进电子从掺杂镍离子向N2分子的迅速转移,实现氮气分子的活化,进而提高固氮性能.     

石墨相氮化碳的红外辅助微波法制备及光催化固氮性能

采用红外辅助微波法制备了可见光下具有优越固氮性能的石墨相氮化碳催化剂(g-C3N4).采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、氮气吸附、紫外-可见光谱(UV-Vis)、荧光光谱(PL)、N2-程序升温脱附(TPD)和电子顺磁共振谱(EPR)等对催化剂进行了表征.结果表明,微波处理在催化剂表面形成许多孔状结构,增大了催化剂的比表面积,抑制了催化剂光生电子-空穴的复合;微波处理还会产生大量氮空穴,这些氮空穴一方面可以吸附并活化氮气分子,另一方面可提升电荷从催化剂到氮气分子的界面转移能力,显著提高催化剂的光催化固氮性能.采用红外辅助微波法制备的g-C3N4催化剂比采用单纯微波法制备的催化剂具有更多的氮空穴,表现出更高的光催化固氮性能.     

固氮酶的固氮机理和其人工模拟问题的探讨

固氮酶将N₂ 还原为NH₃ 的过程是自然界实现氮循环的重要环节。本文着重对固氮酶的固氮机理和其活性中心FeMo 辅基的人工模拟合成进行探讨, 其中包括FeMo蛋白中的质子和电子的传递, FeMo 辅基对N₂ 的活化方式,Mo 原子的作用, 固氮活性的测试。最后还就固氮酶的活性中心FeMo 辅基的人工模拟合成进行了探讨。     

太阳能光(电)催化固氮研究进展（英文）

氨(NH₃)是一种现代社会必需的化学物质。目前,工业上合成NH₃仍然采用的是Haber-Bosch过程,即以H₂和N₂为反应物在铁基催化剂的作用下于高温(400-600℃)高压(20-40Mpa)下将N₂转化为NH₃。然而,其效率只有10%-15%,同时造成大量的能源消耗,而且CO₂排放不可避免。开发构建可持续发展的清洁友好的新能源体系是解决能源危机和环境污染问题、实现碳达峰和碳中和的关键战略。半导体光(电)催化固氮可以利用绿色无污染的太阳能制取重要的基础化工原料氨,有望代替传统的化工制氨工艺,解决其能源消耗严重和环境污染的问题。本文概述了光(电)催化固氮反应及其影响因素、光催化、电催化和光电催化固氮反应实验装置与基本特征、光(电)催化固氮反应催化剂研究进展、光电催化固氮反应机理,着重论述了半导体光催化剂、光(电)催化固氮体系以及光催化固氮机理的最新进展,并对太阳能光催化固氮技术加以评述和展望。     

一些不稳定Cp2TiAr2化合物在温和条件下的固氮研究

Shur等^[1]曾对若干金属有机络合物如Cp₂TiAr₂的固氮作用进行了早朗研究。