将太阳能以化学键形式在常温常压下通过光催化储存，对于可持续发展和碳中和具有重要意义。除设计高活性的新型光催化剂外，高效的太阳能传输和反应物传质动力学的加速也是高效能量转换的关键。

2025年8月11日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所汪德高、香港中文大学王建方、白小鹏在国际知名期刊Advanced Materials发表题为《Plasmonic MoO_3-x/Ag Photocatalyst for the Fixation of N₂ from Air with the Solar Energy Conversion Efficiency Reaching over 0.28%》的研究论文，Jingtian Hu为论文第一作者，汪德高、王建方、白小鹏为论文共同通讯作者。

在本文中，作者设计了一种新型等离子体肖特基势垒自由的MoO_3-x/Ag光催化剂，用于高效氨气（NH₃）的生产。

该光催化剂在太阳光照射下表现出强光吸收和利用能力。双层结构的构建减少了近红外区域水的光衰减，并加速了N₂的传质动力学。

因此，其光催化活性显著提升。在空气中直接使用空气作为反应物气体，实现了超过0.28%（±0.01%）的太阳能-化学能转化效率。

该研究为光催化剂和光催化平台的合理设计提供了有前景的途径，能够显著增强太阳能-化学能的转化效率。

图1 结构与光学表征。a) MoO_3-x/10% Ag光催化剂的实物照片。b) MoO_3-x/10% Ag纳米球的SEM图像。c) MoO_3-x/10% Ag纳米球的TEM图像。d) MoO_3-x/10% Ag纳米球的高倍背散射电子图像。e) MoO_3-x/10% Ag纳米球的HAADF-STEM图像（左上）及EDX元素分布图。f) 负载Ag纳米颗粒的MoO_3-x纳米球结构示意图。g) 商业本征MoO₃纳米颗粒与Ag含量分别为0%、1%、5%、9%、10%、11%和13%的MoO_3-x/Ag样品的光吸收谱。h) Ag含量为1%、5%、9%、10%、11%和13%的MoO_3-x/Ag样品的差分光吸收谱（以MoO_3-x样品的光吸收谱为基准计算）。

图2 MoO_3-x/10% Ag样品的PCNF性能表征。a) 光催化剂浓度对MoO_3-x/10% Ag样品在400、600和800 nm处光吸收（左侧三坐标轴）、NH₃产率（第一右侧坐标轴）以及SCCE（第二右侧坐标轴）的影响，b) 优化条件下MoO_3-x和MoO_3-x/10% Ag样品的光吸收谱（左坐标轴）与实测AQE谱（右坐标轴），c) 优化条件下MoO_3-x/10% Ag样品相对于MoO_3-x样品的光吸收差值（左坐标轴）与AQE差值（右坐标轴），d) 优化条件下MoO_3-x/10% Ag样品的NH₃产量随时间变化曲线e) 环境温度对NH₃产率的影响，f) NH₃产率与温度的Arrhenius曲线，g) 非等温条件下温度随时间的变化，h) 等温与非等温条件下NH₃产量随时间的变化。

图3 太阳能吸收膜的结构与光学表征。a) 纯PVA薄膜的SEM图像，b) 采用二次电子检测模式获取的太阳能吸收膜高倍SEM图像，c) 在(b)图相同位置通过背散射电子检测模式获取的太阳能吸收膜高倍SEM图像，d) 不同光催化剂负载量太阳能吸收膜的吸收光谱，e) 太阳能吸收膜的三维重构共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)图像，f) 太阳能吸收膜的拉曼光谱及其拟合峰，显示薄膜中自由水分子与受限水分子的特征峰，g) 太阳能吸收膜的衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)，h) 体相水的衰减全反射傅里叶变换红外光谱，i) 粉末体系与薄膜体系中水在不同波长下的光吸收特性（厚度指吸附水层厚度）。

图4 太阳能吸收膜的光催化固氮性能。a) 太阳能吸收膜与水界面的结构模型（自上而下）：理想界面、单分子层界面、双分子层界面，b) 单分子层与双分子层体系的NH₃产量随时间变化曲线，c) 膜-水界面高度对太阳能吸收膜NH₃产率（左轴）和SCCE（右轴）的影响，d) 光催化剂负载量对1 mm厚度太阳能吸收膜NH₃产率（左轴）和SCCE（右轴）的影响，e) 粉末体系与薄膜体系的光吸收谱（左轴）及实测AQE谱（右轴）。

综上，作者设计了一种无肖特基势垒的等离子体MoO_3-x/Ag光催化剂，可在常温常压下高效实现N₂还原制NH₃。

该催化剂具有以下协同优势：（1）紫外至近红外的宽光谱强吸收能力；（2）无肖特基势垒特性大幅提升载流子利用效率；（3）丰富氧空位（OVs）赋予的N₂化学吸附与活化能力；（4）等离子体光热效应加速反应动力学，最终实现0.18%（±0.03%）的太阳能-化学能转换效率（SCCE）。

通过将MoO_3-x/10 mol% Ag光催化剂（载银量57.98 mg g_cat^-1）负载于亲水性PVA薄膜，构建了漂浮型双相反应体系。

该薄膜系统位于气-水界面，能显著抑制近红外区水体光吸收、提升太阳能传递效率并促进N₂传质反应动力学。

在无需额外持续搅拌或强制对流的条件下，直接以空气为氮源时获得0.31（±0.01）mmol g_cat^-1 h^-1的NH₃产率及0.41%（±0.03%）的SCCE。

当光催化剂负载量为120 mg时，体系呈现最佳平衡性能：NH₃产率达0.30（±0.01）mmol g_cat^-1 h^-1，SCCE为0.28%（±0.01%）。

该双相反应平台的提出为光催化固氮技术的实用化发展提供了新思路。

Plasmonic MoO_3–x/Ag Photocatalyst for the Fixation of N₂ from Air with the Solar Energy Conversion Efficiency Reaching over 0.28%. Adv. Mater., 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202509652.