西安交通大学/南洋理工大学/南京理工大学AFM：毫秒至秒级焦耳加热打造FeB₂N₃非对称位点，高效全波长光催化制氨
通讯作者：林波、刘铮、狄俊
通讯单位：西安交通大学、新加坡南洋理工大学、南京理工大学
论文DOI：10.1002/adfm.77169
1. 背景
氨（NH3）是化肥、化工和潜在清洁能源载体的重要基础分子，但传统Haber-Bosch合成依赖高温高压，能耗高且设备复杂。以硝酸盐（NO3-）为氮源的光催化还原制氨，兼具含氮废水资源化和温和条件合成NH3的双重价值，但仍受限于催化剂光吸收不足、光生电荷复合快以及关键中间体活化困难。二维原子层材料具有短载流子迁移距离和高比表面积，单原子位点则可在原子尺度调控反应路径；若能进一步构筑非对称活性位点并形成局域极化电场，有望同时促进电荷分离和NO3-还原关键步骤。
2. 论文概要
2026年7月17日，西安交通大学林波、新加坡南洋理工大学刘铮、南京理工大学狄俊团队在期刊《Advanced Functional Materials》发表论文，该研究利用金属基离子液体作为Fe源，通过快速焦耳加热方法将Fe单原子引入BCN原子层，构筑了B空位耦合FeB2N3配位的非对称关联位点（Fe-BCN）。该结构一方面在界面产生局域电荷重分布和极化电场，促进光生电荷分离；另一方面通过B空位与FeB2N3位点协同，将关键*NO2中间体的界面相互作用由p-p相互作用转化为d-p相互作用，增强Fe 3dz2轨道与*NO2的2b1反键轨道杂化，使限速步骤能垒由0.85 eV降至0.44 eV。优化样品Fe-BCN-2在紫外-可见光下NO3-还原制NH3速率达到872.1 µmol g-1 h-1，分别是BCN和BN的8.8倍和58.5倍；在全波长照射下NH3生成速率提升至1566.4 µmol g-1 h-1，负载于三聚氰胺泡沫形成的Fe-BCN-2器件也达到1182.5 µmol g-1 h-1，显示出快速构筑非对称单原子位点的应用潜力。
3. 图文解读
图1 Fe-BCN-2的焦耳加热合成与原子级结构表征
图1展示Fe-BCN-2的形成过程和形貌结构：BCN原子层与Fe基离子液体经煅烧和焦耳加热处理后，引入Fe单原子并形成B空位耦合FeB2N3关联位点。TEM显示BCN和Fe-BCN-2均保持柔性超薄片层结构，HAADF-STEM中未见Fe纳米颗粒或团聚，单个亮点可归属为Fe单原子；EDS元素映射表明B、C、N和Fe均匀分布，说明焦耳加热可在保留二维骨架的同时实现Fe原子级分散。
图2 Fe单原子的价态与局域配位结构
图2通过XPS、Fe K-edge XAFS、EXAFS拟合和小波变换解析Fe的电子态与局域结构。Fe 2p与XANES结果表明Fe平均价态介于Fe2+和Fe3+之间；EXAFS中未出现明显Fe-Fe散射峰，说明Fe主要以单原子形式存在。拟合和小波变换结果支持Fe同时与B/N配位，形成FeB2N3结构，为“B空位-FeB2N3”非对称关联位点提供了关键证据。
图3 光催化硝酸盐还原制氨性能与载流子动力学
图3显示Fe-BCN-2在NO3-光还原制NH3中性能最优，在紫外-可见光下NH3生成速率为872.1 µmol g-1 h-1，且48 h循环后仍保持良好活性；15N同位素核磁证明产物NH3来自NO3-。在全波长照射下，Fe-BCN-2速率达到1566.4 µmol g-1 h-1，并表现出近红外光热响应；瞬态吸收结果表明，Fe-BCN-2具有更长的电荷捕获和复合相关寿命，有利于光生电子参与还原反应。
图4 非对称位点促进电荷分离与关键中间体活化
图4从理论计算和表面电势测量揭示活性来源：引入Fe后，BCN局域电子分布明显不均一，B空位耦合FeB2N3位点形成更强极化电场，KPFM结果也显示光照下表面电势变化。自由能图表明Fe-BCN沿更有利路径降低NO3-还原能垒；COHP和电荷密度差分进一步说明，Fe位点增强对*NO2的轨道相互作用，使*NO2转化更容易，从而解释其高NH3生成速率。
4. 总结展望
这项工作将金属基离子液体与快速焦耳加热结合，实现了Fe单原子在BCN原子层上的快速分散，并进一步构筑B空位耦合FeB2N3非对称关联位点，证明非对称电荷分布、局域极化电场和关键*NO2中间体轨道相互作用调控可协同提升光催化硝酸盐制氨效率。面向后续发展，仍需进一步明确焦耳加热过程中Fe单原子形成与B空位耦合的动态机制，优化NO2-等中间体积累问题，并在真实含硝废水、连续流反应器和更大面积光催化器件中验证其稳定性、选择性和工程放大可行性。
文献信息：Y. He, H. Xiao, Y. Zhang, et al. “ Building Asymmetric B Vacancy Coupled FeB2N3 Associate Site by Joule Heating Metal-Based Ionic Liquid for Enhanced Full Wavelength Photosynthesis of Ammonia.” Advanced Functional Materials (2026): e77169. https://doi.org/10.1002/adfm.77169