近日，我校化学化工学院王蕾教授团队在光电化学硝酸盐还原合成氨方面取得重要研究进展，相关成果在国际化学顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed上发表，题目为“Enhanced Charge Carrier Dynamics on Sb₂Se₃ Photocathodes for Efficient Photolectrochemical Nitrate Reduction to Ammonia.” (论文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202317414 )。论文第一作者为我校2023级博士研究生任世杰，通讯作者为我校王蕾教授和高瑞廷研究员，内蒙古大学为该论文第一单位。

光电化学（PEC）能够通过吸收太阳能产生光生电压来降低合成氨所需的还原电势是当前最有前途的合成氨策略之一。然而，用于PEC NO₃^- 还原反应（PEC NO₃RR）的光电极面临着光吸收能力低、载流子传输受限、催化反应选择性低和氨产量低等问题。硒化锑（Sb₂Se₃）作为一种潜在的材料，具有窄带隙（约 1.2 eV）、低成本、光吸收强和电荷转移快等优势。将 Sb₂Se₃ 光阴极用于 PEC NO₃RR反应，如何提高其氨选择性的同时获得高效的光生电荷转移和表面反应动力学是目前研究的重点。为此，王蕾教授团队通过在Sb₂Se₃纳米棒光阴极表面构建TiO₂层，从热力学角度驱动氨还原反应。进一步负载CoCu 纳米颗粒，为 NO₃RR 提供了催化活性位点，同时提高了光阴极载流子传输能力。CoCu/TiO₂/Sb₂Se₃光阴极在很宽的电位范围内具有较高的氨法拉第效率，在-0.2 V_RHE电位下实现了88.01%的氨法拉第效率，在-0.3 V_RHE下合成氨产率高达 15.91 μmol h^-1 cm^-2，且光阴极的起始电位为 0.43 V_RHE。动力学表征和理论计算证明，CoCu/TiO₂/Sb₂Se₃ 光阴极具有良好的光吸收能力、优异的载流子传输能力和电荷分离效率。光阴极能有效吸附反应物 NO₃^- 和中间体，CoCu 助催化剂增加了 NO₃RR 和 HER 之间的最大吉布斯自由能差。同时，Co 增强了 Cu 的自旋密度，提高了 pdos 中费米级附近的态密度，从而实现了CoCu/TiO₂/Sb₂Se₃ 最好的光电催化NO₃RR 性能。该研究对Sb₂Se₃基光电阴极半导体高效PEC硝酸盐还原合成氨的电荷传输动力学和表面反应机理进行了探索，并为从富含硝酸盐的废水中PEC合成氨提供了一条新途径。

该工作得到了科技部重点研发计划课题，国家自然科学基金和内蒙古大学“骏马计划”项目的支持。