01 专刊介绍

Green Carbon是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称"青岛能源所"）主办的英文学术期刊，致力于报道绿色与可持续技术领域的前沿交叉成果。

二十载耕耘，薪火相传。恰逢青岛能源所成立20周年之际，Green Carbon第13期（Volume 4, Issue 3）将作为“青岛能源所建所20周年专刊”于2026年9月出版。

本专刊收录20篇主编特邀高水平文章，作者均为长期关心支持青岛能源所发展的战略科学家，以及绿色碳科学相关领域的公认领军专家。专刊涵盖绿碳科学与可持续技术领域的基础科学发现、关键技术创新、系统过程集成，以及标准与政策框架建议等内容，全面呈现该领域的代表进展与未来方向。

衷心感谢所有撰稿人为本专刊贡献前瞻性学术洞见、系统综述与标志性研究成果，以及对青岛能源所与Green Carbon期刊的大力支持！

02 导读

题目：Electron Transfer, Proton Transfer, and Molecule Transfer in Photocatalytic Nitrogen Fixation

作者：Qian Li, Yonghui Shi, Hongxiang Liu, Jiafu Shi, Dong Yang*, Zhongyi Jiang*

推送导读：

氨不仅是工农业生产的核心原料，也是一种极具潜力的无碳氢能载体。目前，Haber-Bosch法是工业上应用最广泛的合成氨工艺，需在高温高压条件下进行，消耗大量能源的同时会排放大量二氧化碳。光催化固氮技术可在常温常压下将空气中的氮气和水直接转化为氨，被公认为是一条绿色、可持续的零碳氨合成方法。然而，现有的固氮光催化剂的氨收率普遍比较低，难以达到工业规模的要求。其中，一个重要原因在于反应过程非常复杂，需电子、质子、氮气分子三者同时在催化剂活性位点碰撞并协同反应，任何一个环节的失配都会对固氮效率造成很大影响。

天津大学姜忠义教授团队在专刊发表文章“Electron Transfer, Proton Transfer, and Molecule Transfer in Photocatalytic Nitrogen Fixation”，系统介绍了光催化固氮中的电子传递、质子传递和分子传递（“新三传”），梳理了电子、质子、氮气分子在光催化固氮过程中的传递机制与强化策略，为设计下一代高效光催化剂提供了参考。

03 主要内容

一、简要介绍

光催化固氮过程可主要分为以下三步：半导体材料吸收光后，激发电子从价带跃迁至导带，产生电子和空穴；电子和空穴发生分离并迁移至催化剂的表面；电子与吸附的氮气分子和溶液中的质子发生反应生成氨，空穴则氧化水产生氧气和质子。其中，电子传递是反应的核心驱动力；质子传递为反应提供氢物种，扮演着同样重要角色；分子传递，主要是氮气的吸附与扩散，是反应的关键步骤。图1展示了电子、质子、分子在光催化固氮反应中的传递过程。

图1. 光催化固氮中电子、质子、分子传递示意图

二、重要进展与研究趋势

图2. 光催化固氮中电子、质子、分子传递强化策略示意图

2.1 电子传递及强化策略

电子从被激发到参与固氮反应，需经历光吸收激发、载流子分离、迁移至活性位点参与反应的全过程，涉及到电子的产生、转移、利用。针对不同的传递阶段，强化策略主要包括：

（1）拓展光吸收范围，促进电子产生。通过元素掺杂、光敏剂修饰和表面等离子体共振，可将光响应范围扩展至可见光甚至近红外区，实现电子传递的强化；

（2）促进载流子分离。通过缺陷工程和异质结构建抑制电子-空穴对的复合，可实现电子传递的强化；

（3）优化传递路径。通过形貌调控和路径调控，可显著缩短电子从体相到表面的传递距离，加快电子的转移利用，实现电子传递的强化。

2.2 质子传递及强化策略

质子由水氧化和水电离提供，但固氮反应常面临析氢反应的竞争。相较于固氮反应，析氢反应的还原电位较低且反应所需的质子数较少，更易进行。为了使更多的质子传递至固氮反应的活性位点，其强化策略主要包括：

（1）促进质子生成。通过元素掺杂、负载贵金属（如Pt、Au等）或构建空位，可以有效活化水分子，降低O-H键断裂能垒，加速质子的产生和传递；

（2）调控质子传递路径。通过“化敌为友”策略，先将质子转化为氢分子，经中间体转化为活性*H后再用于固氮反应，将析氢反应与固氮反应由竞争关系转变为串联反应，可大幅提升固氮反应选择性，实现质子传递路径的优化和质子传递的强化。

2.3 分子传递及强化策略

氮气在水中的溶解度极低，且固氮反应位点易被水分子竞争吸附。氮气通过在水中的体相扩散以及催化剂表面的扩散抵达并吸附于活性位点，强化策略主要包括：

（1）促进氮气的体相扩散。通过三相界面设计将亲水催化剂负载于疏水多孔基底（如PTFE膜、水凝胶、气体扩散层），构建气-液-固三相界面，使氮气直接与催化剂接触，提升传质效率。通过优化反应体系，使用特殊反应设计（如SIG反应体系、T型管反应装置），促进氮气向催化剂的传递，实现固氮性能的提高；

（2）促进氮气的表面扩散。通过调控催化剂表面亲疏水性，用疏水性基团修饰催化剂表面，适度增加疏水性，可抑制水分子在表面的竞争吸附，富集氮气，提高局部氮浓度，促进氮气的吸附与活化。通过制备纳米限域催化剂，具有纳米限域结构的材料（如COF、沸石）可通过物理通道捕获并富集氮气，延长其停留时间，强化氮气分子传递，促进氮气的吸附与活化，最终实现固氮性能的提高。

三、总结与展望

本综述系统阐述了光催化固氮中电子传递、质子传递、分子传递（“新三传”）的相关机理及其强化策略。未来研究建议聚焦于：

（1）结合原位表征与理论计算，揭示三种传递过程的微观机制与速控步骤；

（2）通过仿生设计，构建多组分协同的人工反应中心；

（3）引入人工智能与多尺度模拟，动态预测并优化各传递路径的耦合；

（4）构建电子-质子-分子多尺度协同的理论框架，推动光催化固氮技术尽快走向实际应用。

04 论文信息

论文信息

Qian Li, Yonghui Shi, Hongxiang Liu, Jiafu Shi, Dong Yang and Zhongyi Jiang. Electron Transfer, Proton Transfer, and Molecule Transfer in Photocatalytic Nitrogen Fixation[J].Green Carbon, 2026.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2026.02.010

论文下载

Electron Transfer, Proton Transfer, and Molecule Transfer in Photocatalytic Nitrogen Fixation.pdf

中文解读原链接

青岛能源所建所20周年专刊 | 姜忠义教授：光催化固氮中的电子传递、质子传递和分子传递

05 作者简介

姜忠义 教授

姜忠义，天津大学讲席教授，博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，教育部长江学者讲座教授，国家“万人计划”科技创新领军人才。中国化工学会会士，中国化学会会士，英国皇家化学会会士。科技部重点领域创新团队负责人。国家重点研发计划项目首席科学家。

杨冬 副教授

杨冬，天津大学环境学院副教授，主要从事纳米结构功能材料的制备和应用、光催化和生物催化等领域的研究。主持或参与国家科技部 863 项目、973 子课题、国家自然科学基金和天津市自然科学基金项目等项目 10 余项，以第一/通讯作者身份，在Adv. Mater.、ACS Catal.、Appl. Catal. B-Environ.、Chem. Eng. J.等 SCI 期刊发表论文 110 余篇，SCI 他引 6400 余次，H 因子 40，入选 ESI 高被引或热点论文6篇。

06 Green Carbon

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