氨不仅是合成化肥、炸药、纤维等含氮产品的关键前体，更是一种极具潜力的氢能载体。固氮过程作为连接大气中“惰性氮”与生物圈中“活性氮”的核心环节，可将稳定氮气（N₂）转化为氨、硝酸盐等高价值活性氮化合物，对地球生态平衡、农业生产、工业发展乃至人类文明延续具有根本性意义。传统Haber-Bosch固氮工艺需在高温高压条件下进行，且伴随大量CO₂等温室气体排放，与可持续发展理念及“双碳”目标存在矛盾。摩擦催化作为一种新兴的机械催化技术，能够将环境中广泛存在的低频、微小机械能高效转化为电能与化学能，利用可再生清洁能源驱动固氮反应，为实现常温、低能耗、可持续的固氮技术提供了创新性解决方案。

近日，黑料网 科研创新团队——环境功能催化与资源绿色利用研究所武峥教授课题组，在国际知名期刊Dalton Transactions（中科院三区，影响因子3.3）上发表题为“Highly efficient tribocatalytic nitrogen fixation of hydrothermally-synthesized Bi₂S₃ driven by mechanical friction”的研究论文。该论文第一完成单位为黑料网 ，黑料网 研究生朱紫琦为第一作者，武峥教授为通讯作者，研究生王圆方、闫茹玉及环境工程专业本科生康嘉佳为共同作者。研究工作得到了陕西省自然科学基金、陕西省高层次人才引进计划（青年项目）以及陕西省教育厅科研计划项目的联合资助。

本研究利用高电负性聚四氟乙烯（PTFE）旋转盘持续摩擦窄带隙（1.48 eV）的硫化铋（Bi₂S₃）材料，成功在室温条件下实现了空气中氮气的高效摩擦催化固定。在不添加牺牲剂的条件下，50 mg Bi₂S₃催化剂经5小时摩擦催化反应后，铵根离子（NH₄⁺）的生成速率高达208.53 μmol·L⁻¹·g⁻¹·h⁻¹。在保持其他条件不变，加入10 vol%甲醇溶液后，NH₄⁺生成速率进一步提升至250.45 μmol·L⁻¹·g⁻¹·h⁻¹，催化性能提升至原来的1.2倍。机理研究表明，甲醇可有效消耗催化过程中产生的正电荷，从而延长负电荷的存在时间，使其更充分地参与氮气还原反应。电子顺磁共振（EPR）测试进一步证实，负电荷是驱动氮气固定反应的必要活性物种。

研究团队系统考察了催化剂用量、搅拌速度、接触面积及反应溶液pH等关键参数，优化了摩擦催化固氮的反应条件。经连续三次循环实验后，NH₄⁺生成速率仍可维持在172.43 μmol·L⁻¹·g⁻¹·h⁻¹，未见明显衰减，表明Bi₂S₃催化剂具有良好的稳定性与可循环利用性。此外，研究深入探讨了Bi₂S₃材料在摩擦催化固氮过程中的电子转移与电子跃迁协同机制，揭示了机械力驱动的摩擦起电效应如何促进PTFE与Bi₂S₃界面表面电子-空穴对的高效分离。

Bi₂S₃摩擦催化固氮机理图&

不同捕获剂及无催化剂条件下Bi₂S₃摩擦催化固氮性能

该研究成果不仅为固氮领域提供了一种兼具高效率、低能耗、温和反应条件及优异稳定性的绿色催化材料体系，更通过摩擦驱动模式实现了对环境中广泛存在的低频机械能的有效利用。未来有望进一步拓展至实际应用场景，如利用水流等自然微小机械能驱动固氮反应。该工作为可持续能源转化与绿色化学合成提供了重要参考，积极响应了全球推动绿色低碳发展与实现“双碳”目标的迫切需求。

（撰稿：朱紫琦 审核：武峥）

文章链接：//doi.org/10.1039/D5DT02293B

【课题组导师简介】

武峥，中国地质大学（北京）环境科学与工程专业博士、教授、博士生导师，入选陕西省高层次人才引进计划。主要从事新型催化技术及在染料废水处理、分解水制氢、二氧化碳还原、固氮、过氧化氢合成等环境能源应用研究。2023-2025年连续入选爱思唯尔与斯坦福大学联合发布的全球前2%顶尖科学家榜。主持国家自然科学基金两项、省部级科技项目多项，荣获省自然科学二等奖等。现有在读研究生10名。

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详细个人信息请见//heiliao-net.com/info/1008/2631.htm

【课题组研究生简介】

朱紫琦：（2000-），女，山西临汾人。2023级环境科学与工程专业硕士研究生。