在催化、光催化和传感等领域，特别是在能源和环境光催化领域，（氮）氧化物具有广泛的应用。

(资料图片仅供参考)

（氮）氧化物是光催化领域一类重要的无机半导体材料，其具有光谱吸收范围宽、导价带能级位置合适、光化学稳定性好等优势。

然而，此前人们一直缺乏高效的氮氧化物合成手段。利用氨气流在高温下氮化氧化物前驱体，是合成氮氧化物的传统方法，其存在氮化动力学慢、合成周期长、温度高等问题，且合成的材料通常存在缺陷密度大、部分材料在合成中结构易破坏以至于难以合成等问题。

为此，中科院大连化物所章福祥研究员和团队，开拓出一种采用低功函金属粉末（如：Mg、Al、Zr 等）来辅助氮化的新方法。课题组将该方法命名为：金属粉辅助氮化方法。

图 | 章福祥（来源：章福祥）

在活泼金属单质的作用之下，该方法可以显著促进前驱体氧化物中金属-氧键的活化，从而能够提升氮化的动力学，进而可以实现温度更低、耗时更短的氮化合成。

此外，采用金属粉辅助氮化方法获得的氮氧化物产物，其缺陷态密度较低，因此可以大幅提升材料的光催化分解水制氢性能。

此前，采用传统合成方法根本无法合成氮氧化物新材料。而采用本次方法，则能成功合成氮氧化物新材料，这为实现氮（氧）化物高效转化太阳能至化学能奠定了基础。

整体来看，该成果主要体现了合成方法的创新，有望用于氮（氧）化物类材料的规模化生成，更重要的是采用这种新方法有望制备出具有高效太阳能光化学转化能力的目标材料。

就本次成果的研究背景来说：多年来，氮（氧）化物合成动力学的缓慢发展，一直制约着该类材料的开发。

十几年前，章福祥接触到氮（氧）化物材料，自那时起他便开始致力于光催化全分解水制氢的应用。

针对光催化性能一直受制于材料的高缺陷密度、以及苛刻的氮化合成环境等难题，他和团队一方面致力于氮氧化物合成方法创新，另一方面致力于不同结构的氮（氧）化物开发，以期显著提升氮（氧）化物类光催化材料的太阳能光化学转化性能。

其表示：“就合成方法创新而言，我们最早通过采用熔融盐辅助氮化，来加快反应物质的传质扩散，进而通过溶剂化的作用，在一定程度上加快氮化动力学。”

另外，他们还通过选择一些层状氧化物或隧道状氧化物作为前驱体，以及通过提高氨气流的扩散速率来提高氮化动力学。

迄今为止，课题组已经开发二十余例具有中国自主知识产权的可见光催化新材料，也取得了相对较好的光催化分解水性能。但是，氮化动力学的提升作用始终不够理想。

另外，章福祥所在的催化基础国家重点实验室，长期从事催化基本过程机制认识方面上的研究。基于实验室的过往积累，他和团队一直在思考的是：如果将氮（氧）化物的合成看成一个化学反应，能否通过加入催化剂来加速这个氮化反应？

因为在氮氧化物的合成中，前驱体中的金属-氧键打开是重要的一环。所以，他们一直在想是否存在可以有效打开前驱体金属-氧键的催化剂？

带着这些疑问，近些年课题组一直在努力尝试，期间筛选过很多不同类型的材料，包括一些贵金属和过渡金属等材料。

有些效果相对不错，但是存在容易掺杂或氮氧化物不纯等问题，要么就是氮化动力学的提升作用比较有限。

幸运的是，在本次研究中他们成功发现一些低功函的金属，确实能起到很好的催化作用，并能显著加速氮化动力学作用，从而能为氮氧化物的合成提供新思路。

章福祥表示，发现低功函金属粉末具有高效促进氮化动力学的现象是曲折且充满乐趣的。最开始，基于外源“助氮化剂”具备活化氨气或活化氧化物前驱体的构想，他让学生尝试了多种过渡金属（比如：Fe、Co、Ni、W、Mo 等）作为辅助氮化剂，然而它们的助氮化效果并不明显。

有些金属单质（包括 Ni、W 和 Mo）甚至会抑制钽基氧化物的氮化，也就是氮化温度即使超过传统方法的氮化温度，钽基氧化物仍能维持其氧化物结构的稳定。

这时，章福祥提出跳出过渡金属的范围，试试碱金属或者碱土金属等活泼金属。然而，有些同学却开始踌躇不前，一是这些活泼金属单质粉末的购买审批复杂，二是这些活泼金属元素的单质在实验操作中的确存在一定危险。

沉寂一段时间之后，一天有位同学突然跑来告诉章福祥，说采用金属镁粉就可以轻松合成钽基的钙钛矿结构氮氧化物。

当他询问实验细节时，得知这位同学借用了其他实验室的药品，并且为了保证实验安全仅用了 50mg 的细镁粉。

章福祥表示：“这让我理解了同学们做实验谨慎小心的可贵，我也进一步勉励他们科研路上需要做到即知即行。后来，我们拓展了金属粉末氮化辅助剂的选择范围，并研究这一方法在多种类氮氧化物合成中的普适性。”

可以说，整个过程离不开团队始终秉持的“大胆猜想，小心求证”的科研精神，这一过程也让他们在探索未知中都得到了成长。“可谓其乐无穷，”章福祥概括称。

最终，相关论文以《金属粉末促进氮化动力学方便合成（氧化）氮化光催化剂》（Metallic Powder Promotes Nitridation Kinetics for Facile Synthesis of (oxy)nitride Photocatalysts）为题发在Advanced Materials 上，BaoYunfeng 是第一作者，章福祥担任通讯作者[1]。

图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

目前，他们正在利用该合成新方法，以可控的方式合成氮（氧）化物光催化材料，希望能在新材料合成、结构调变和光催化性能提升上发挥重要作用。

另外，高温氮化过程本质是一个气固相的合成反应，对于反应机制缺乏原位的探测手段，其主要受限于高温氨气流的强腐蚀作用，后续他们计划采用耐腐蚀合金或陶瓷材质制备原位反应池，并将结合原位的X 射线衍射、拉曼等表征手段，深入揭示氮化动力学和助氮化机制，为氮氧化物的可控调变打下基础。

同时，本次合成方法的原理也有望推广到其它高温合成路线比如硫（氧）化物、碳化物等材料合成，目前相关尝试也在进行中。

另据悉，前不久国际能源署发布全球能源投资年报提到，2022 年全球在能源领域的投资约为 2.8 万亿美元，其中约 1.7 万亿美元流向清洁能源。

对此，章福祥表示能源是为人类提供某种形式能量的物质资源，每年需求量巨大。能源不仅影响国家经济和社会发展，而且已经成为世界各国争夺发展空间和资源的焦点问题，能源问题某种程度上也会上升为政治问题。

当前人类的生活生产主要依赖于煤、石油和天然气等化石能源，但化石资源的过度开发利用会导致二氧化碳大量排放和全球变暖等问题，因此开发洁净的低碳或无碳能源是大势所趋，是人类保护共有地球家园和对美好生活向往的必然选择。

近年来，世界各国都在加大对太阳能、生物质能等可再生能源开发投入，以期争夺新能源开发的制高点，把握新能源技术开发的主动权。

“我坚信，哪个国家掌握了新能源技术的至高点，哪个国家就将在未来牢牢掌握生存发展的主动权，因此我们要坚信资本嗅觉的灵敏性。”章福祥表示。

参考资料：

1.Bao, Y., Zou, H., Du, S., Xin, X., Wang, S., Shao, G., & Zhang, F. (2023). Metallic Powder Promotes Nitridation Kinetics for Facile Synthesis of (oxy) nitride Photocatalysts.Advanced Materials, 2302276

运营/排版：何晨龙

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