通過表面受阻Lewis對進行氣相非均相催化CO₂加氫反應以生產商品化學品和燃料是科學與技術興趣日益關注的焦點。

傳統的氣相非均相表面受阻Lewis對催化劑主要涉及金屬氧化物-氫氧化物 (MOH???M)。改善工藝性能指標的一個途徑是用更強的替代物取代Lewis堿MOH，一個有趣的例子是金屬氮化物中的胺MNH₂。

2024年12月5日，同濟大學凌嵐教授、加拿大多倫多大學Geoffrey A. Ozin院士在國際頂級期刊Nature Communications發表題為《Surface frustrated Lewis pairs in titanium nitride enable gas phase heterogeneous CO₂?photocatalysis》的研究論文。鄒云杰為論文第一作者，凌嵐教授和Geoffrey A. Ozin院士為論文共同通訊作者。

凌嵐，同濟大學環境科學與工程學院教授，國家優青。1999年、2002年本碩畢業于福州大學；2006年在同濟大學獲得博士學位，隨后留校工作。

研究方向為1. 環境納米材料及其界面調控與污染物去除；2. 環境與能源催化及碳轉化與削減；3. 污染物界面微觀過程及多介質界面非經典行為；4. 生物合成納米顆粒的行為及其可視化；5. 球差校正掃描透射電鏡、原位、冷凍電鏡在環境領域的應用。

她以第一/通訊作者在J. Am. Chem. Soc.、Environ. Sci. Technol.、Water Res.、Environ. Sci. Technol.Lett.、Adv.Mater.、App. Catal. B、《科學通報》等化學和環境領域重要國際期刊發表學術論文30余篇，其中10余篇入選環境和化學領域權威期刊Environ. Sci.Technol.、Environ. Sci.Technol. Lett.等封面文章。

在文中，作者建立了一個概念驗證，當納米級Pt溢出共催化劑集成時，可以在氮化鈦（TiN_xO_y）中構建胺型光活性表面受阻Lewis對（MNH₂???M）。

這種由Ti-NH₂作為Lewis堿和低價態Ti作為Lewis酸組成的表面受阻Lewis對促進了氣相光輔助非均相逆水煤氣變換反應。

該反應通過表面活性氨基甲酸酯中間體Ti-(H₂N-COO)-Ti進行，其中Lewis酸性和Lewis堿性位點的協同作用賦予其優于單獨TiN_xO_y以及傳統負載Pt金屬氧化物的性能指標。

圖1：金屬（氧）氮表面SFLP化學研究進展

圖2：結構表征

圖3：Pt/TiO₂、TiN_xO_y和Pt/TiN_xO_y還原產物的質譜分析

圖4：Ti-NH₂???Ti(L) SFLP的原位DRIFT測試和DFT計算

圖5：光學和電子性能

圖6：光熱催化性能

圖7：反應機理研究

圖8：Pt/TiN_xO_y表面的整體SFLP化學

綜上，該論文研究了在氮化鈦（TiN_xO_y）構建的表面受阻Lewis對（SFLPs），通過與納米級的鉑（Pt）共催化劑結合，實現了氣相光輔助非均相逆水煤氣變換反應。研究結果表明，這種Ti-NH₂???Ti(L) SFLPs具有優異的CO₂吸附和活化能力，能夠顯著提高光驅動的逆水煤氣變換反應的性能。

該研究證明了金屬(氧)氮化物SFLPs在光催化CO₂轉化中的潛力，這一發現不僅為設計新型光催化劑提供了新的思路，而且對于實現可持續的CO₂轉化和利用、減少溫室氣體排放具有重要意義。

未來這項研究可能會推動開發出更高效的CO₂轉化技術，為應對氣候變化和能源危機提供解決方案；此外，該研究在可持續能源生產、工業應用、環境修復技術、催化材料設計等領域都具有應用潛力。

Zou, Y., Mao, C., Xu, M.?et al.?Surface frustrated Lewis pairs in titanium nitride enable gas phase heterogeneous CO₂?photocatalysis.?Nat. Commun.,? (2024).