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謝毅/肖翀/張群ACS Catalysis:多金屬氧化物調節MOFs載體動力學促進光催化固氮

謝毅/肖翀/張群ACS Catalysis:多金屬氧化物調節MOFs載體動力學促進光催化固氮
在自然界中,固氮酶可以通過π-反鍵機制實現對氮氣(N2)分子的高效環境固定,克服現有人工合成氨(NH3)的瓶頸,從而在溫和條件下實現N2向NH3的高效人工轉化。
基于此,中國科學技術大學謝毅院士、肖翀教授和張群教授等人報道了一種基于金屬有機骨架(MOFs)和多金屬氧酸鹽(POMs)的光催化固氮模擬酶催化劑,其中POMs可有效地調節MOFs的載流子動力學來模擬固氮酶的反鍵機制。以MIL-88A(C12H6O13Fe)和PMo10V2(H5PMo10V2O40)為例,NH3產率為50.82 μmol g-1 h-1,MIL-88A提高了6倍,PMo10V2提高了14倍。
謝毅/肖翀/張群ACS Catalysis:多金屬氧化物調節MOFs載體動力學促進光催化固氮
MIL-88A具有金屬Fe的未占據位點,作為活性中心位點化學吸收N2分子并使N2極化,形成*N≡N*(過程①)。MIL-88A具有光敏性,能激發大量電子,這些電子迅速與空穴分離,并被PMo10V2有效地轉移到N-N π*反鍵體系中,以快速加氫過程將N≡N解離成*N=*NH,如N=N拉伸振動的DRIFTS(過程②)所示。只有在可見光照射下才能檢測到*N=*NH,表明*N=*NH品種是動態產物。
謝毅/肖翀/張群ACS Catalysis:多金屬氧化物調節MOFs載體動力學促進光催化固氮
此外,激發態電子注入到*N=*NH中,使-N=N-鍵斷裂,同時獲得H+形成*NH=*NH、*NH-*NH2和*NH2-*NH2(過程③~⑤),并且峰較弱,表明加氫過程完成較快。同時,*NH2-*NH2的存在證明了反應遵循對稱側鏈途徑。
最后,中間產物不斷獲得電子并依次氫化生成NH3或NH4+(過程⑥-⑧)。整個過程清楚地表明,NH3最終通過π-反鍵過程結合機制成功生成,與固氮酶的N2固定過程是一致的。
謝毅/肖翀/張群ACS Catalysis:多金屬氧化物調節MOFs載體動力學促進光催化固氮
Constructing Mimic-Enzyme Catalyst: Polyoxometalates Regulating Carrier Dynamics of Metal-Organic Frameworks to Promote Photocatalytic Nitrogen Fixation. ACS Catal., 2023, DOI: 10.1021/acscatal.3c00944.

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