在催化、光催化和傳感等領域，特別是在能源和環境光催化領域，（氮）氧化物具有廣泛的應用。

（氮）氧化物是光催化領域一類重要的無機半導體材料，其具有光譜吸收范圍寬、導價帶能級位置合適、光化學穩定性好等優勢。

(相關資料圖)

然而，此前人們一直缺乏高效的氮氧化物合成手段。利用氨氣流在高溫下氮化氧化物前驅體，是合成氮氧化物的傳統方法，其存在氮化動力學慢、合成周期長、溫度高等問題，且合成的材料通常存在缺陷密度大、部分材料在合成中結構易破壞以至于難以合成等問題。

為此，中科院大連化物所章福祥研究員和團隊， 開拓出一種采用低功函金屬粉末（如：Mg、Al、Zr 等）來輔助氮化的新方法。 課題組將該方法命名為：金屬粉輔助氮化方法。

圖 | 章福祥（來源：章福祥）

在活潑金屬單質的作用之下， 該方法可以顯著促進前驅體氧化物中金屬-氧鍵的活化，從而能夠提升氮化的動力學，進而可以實現溫度更低、耗時更短的氮化合成。

此外，采用金屬粉輔助氮化方法獲得的氮氧化物產物，其缺陷態密度較低，因此可以大幅提升材料的光催化分解水制氫性能。

此前，采用傳統合成方法根本無法合成氮氧化物新材料。而采用本次方法，則能成功合成氮氧化物新材料，這為實現氮（氧）化物高效轉化太陽能至化學能奠定了基礎。

整體來看，該成果主要體現了合成方法的創新，有望用于氮（氧）化物類材料的規模化生成，更重要的是采用這種新方法有望制備出具有高效太陽能光化學轉化能力的目標材料。

就本次成果的研究背景來說：多年來，氮（氧）化物合成動力學的緩慢發展，一直制約著該類材料的開發。

十幾年前，章福祥接觸到氮（氧）化物材料，自那時起他便開始致力于光催化全分解水制氫的應用。

針對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環境等難題，他和團隊一方面致力于氮氧化物合成方法創新，另一方面致力于不同結構的氮（氧）化物開發，以期顯著提升氮（氧）化物類光催化材料的太陽能光化學轉化性能。

其表示：“就合成方法創新而言，我們最早通過采用熔融鹽輔助氮化，來加快反應物質的傳質擴散，進而通過溶劑化的作用，在一定程度上加快氮化動力學。”

另外，他們還通過選擇一些層狀氧化物或隧道狀氧化物作為前驅體，以及通過提高氨氣流的擴散速率來提高氮化動力學。

迄今為止，課題組已經開發二十余例具有中國自主知識產權的可見光催化新材料，也取得了相對較好的光催化分解水性能。但是，氮化動力學的提升作用始終不夠理想。

另外，章福祥所在的催化基礎國家重點實驗室，長期從事催化基本過程機制認識方面上的研究。基于實驗室的過往積累，他和團隊一直在思考的是：如果將氮（氧）化物的合成看成一個化學反應，能否通過加入催化劑來加速這個氮化反應？

因為在氮氧化物的合成中，前驅體中的金屬-氧鍵打開是重要的一環。所以，他們一直在想是否存在可以有效打開前驅體金屬-氧鍵的催化劑？

帶著這些疑問，近些年課題組一直在努力嘗試，期間篩選過很多不同類型的材料，包括一些貴金屬和過渡金屬等材料。

有些效果相對不錯，但是存在容易摻雜或氮氧化物不純等問題，要么就是氮化動力學的提升作用比較有限。

幸運的是，在本次研究中他們成功發現一些低功函的金屬，確實能起到很好的催化作用，并能顯著加速氮化動力學作用，從而能為氮氧化物的合成提供新思路。

章福祥表示，發現低功函金屬粉末具有高效促進氮化動力學的現象是曲折且充滿樂趣的。最開始，基于外源“助氮化劑”具備活化氨氣或活化氧化物前驅體的構想，他讓學生嘗試了多種過渡金屬（比如：Fe、Co、Ni、W、Mo 等）作為輔助氮化劑，然而它們的助氮化效果并不明顯。

有些金屬單質（包括 Ni、W 和 Mo）甚至會抑制鉭基氧化物的氮化，也就是氮化溫度即使超過傳統方法的氮化溫度，鉭基氧化物仍能維持其氧化物結構的穩定。

這時，章福祥提出跳出過渡金屬的范圍，試試堿金屬或者堿土金屬等活潑金屬。然而，有些同學卻開始躊躇不前，一是這些活潑金屬單質粉末的購買審批復雜，二是這些活潑金屬元素的單質在實驗操作中的確存在一定危險。

沉寂一段時間之后，一天有位同學突然跑來告訴章福祥，說采用金屬鎂粉就可以輕松合成鉭基的鈣鈦礦結構氮氧化物。

當他詢問實驗細節時，得知這位同學借用了其他實驗室的藥品，并且為了保證實驗安全僅用了 50mg 的細鎂粉。

章福祥表示：“這讓我理解了同學們做實驗謹慎小心的可貴，我也進一步勉勵他們科研路上需要做到即知即行。后來，我們拓展了金屬粉末氮化輔助劑的選擇范圍，并研究這一方法在多種類氮氧化物合成中的普適性。”

可以說，整個過程離不開團隊始終秉持的“大膽猜想，小心求證”的科研精神，這一過程也讓他們在探索未知中都得到了成長。“可謂其樂無窮，”章福祥概括稱。

最終，相關論文以《金屬粉末促進氮化動力學方便合成（氧化）氮化光催化劑》（Metallic Powder Promotes Nitridation Kinetics for Facile Synthesis of (oxy)nitride Photocatalysts）為題發在 Advanced Materials 上，BaoYunfeng 是第一作者，章福祥擔任通訊作者[1]。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）

目前，他們正在利用該合成新方法，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、結構調變和光催化性能提升上發揮重要作用。

另外，高溫氮化過程本質是一個氣固相的合成反應，對于反應機制缺乏原位的探測手段，其主要受限于高溫氨氣流的強腐蝕作用，后續 他們計劃采用耐腐蝕合金或陶瓷材質制備原位反應池，并將結合原位的 X 射線衍射、拉曼等表征手段，深入揭示氮化動力學和助氮化機制，為氮氧化物的可控調變打下基礎。

同時，本次合成方法的原理也有望推廣到其它高溫合成路線比如硫（氧）化物、碳化物等材料合成，目前相關嘗試也在進行中。

另據悉，前不久國際能源署發布全球能源投資年報提到，2022 年全球在能源領域的投資約為 2.8 萬億美元，其中約 1.7 萬億美元流向清潔能源。

對此，章福祥表示能源是為人類提供某種形式能量的物質資源，每年需求量巨大。能源不僅影響國家經濟和社會發展，而且已經成為世界各國爭奪發展空間和資源的焦點問題，能源問題某種程度上也會上升為政治問題。

當前人類的生活生產主要依賴于煤、石油和天然氣等化石能源，但化石資源的過度開發利用會導致二氧化碳大量排放和全球變暖等問題，因此開發潔凈的低碳或無碳能源是大勢所趨，是人類保護共有地球家園和對美好生活向往的必然選擇。

近年來，世界各國都在加大對太陽能、生物質能等可再生能源開發投入，以期爭奪新能源開發的制高點，把握新能源技術開發的主動權。

“我堅信，哪個國家掌握了新能源技術的至高點，哪個國家就將在未來牢牢掌握生存發展的主動權，因此我們要堅信資本嗅覺的靈敏性。”章福祥表示。

參考資料：

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

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