开发可在常温常压下模拟固氮酶功能、实现NH₃合成的仿生催化剂是催化研究的核心目标之一。

近期提出的“侧向”N₂吸附酶促路径为高效光催化固氮提供了新思路：该模式下，N₂的两个N原子同时与活性位点成键，确保强N₂吸附并降低反应能垒。

2025年10月13日，东莞理工学院王鑫，中科院大连化学物理研究所章福祥在国际知名期刊Advanced Functional Materials发表题为《Enzymatic Pathway: a Promising Photocatalytic Nitrogen Fixation Reaction Mechanism》的综述论文，王鑫为论文第一作者，王鑫、章福祥为论文通讯共同作者。

在本文中，作者从材料设计与反应机理两方面，系统综述了酶促路径光催化固氮的最新进展。

通过梳理缺陷调控、掺杂策略与表面工程等实现“侧向”N₂吸附的研究实例，论证了定向调控固氮反应路径的可行性；进而综合剖析N₂吸附模式、电荷转移动力学及吉布斯自由能对酶促固氮性能的影响，阐明反应路径与效率间的构效关系，为新型光催化剂设计提供理论依据。

最后，展望该领域面临的挑战与未来发展方向，提出以材料创新结合机理洞见，可加速酶促光催化固氮体系的实用化进程。

图1：酶促路径固氮在“材料设计–反应机理”维度的示意总览。

图2：（A）CoP₄-C/g-C₃N₄异质结构制备示意图；（B）Co-MOF/g-C₃N₄、CoP₄/g-C₃N₄与CoP₄-C/g-C₃N₄的N₂吸附模式优化及对应N≡N键长；（C）d带中心与N₂吸附能的关系；（D）不同条件下各光催化剂的NH₃产率；（E）MIL-125(Ti)制备示意图；（F，G）MIL-125(Ti)与MIL-125(Ti)-250的Ti 2p和O 1s XPS谱；（H）缺陷与无缺陷模式的N₂吸附及对应结合能；（I）MIL-125(Ti)-T样品的NH₃产率。

图3：（A）MWO超细纳米线（UTNWs）合成示意图；（B）MWO-1 UTNWs的元素分布图；（C、D）富缺陷W₁₈O₄₉与Mo掺杂W₁₈O₄₉表面N₂吸附模式优化及对应电荷分布；（E）W₁₈O₄₉、MWO-0.5、MWO-1、MWO-2、MWO-4 UTNWs的光催化NH₃产率；（F）MWO-1 UTNWs在纯水中不同单色光照射下的计算表观量子效率（红点），蓝色线为吸收光谱对比；（G）P-Fe/W₁₈O₄₉制备示意图；（H）P-Fe/W₁₈O₄₉元素分布图；（I）W₁₈O₄₉、Fe/W₁₈O₄₉、P-Fe/W₁₈O₄₉的优化模型；（J、K）W₁₈O₄₉与P-Fe/W₁₈O₄₉的N₂吸附优化模型；（L）模拟太阳光照射下不同光催化剂的NH₃产率。

图4：（A）MoO_3-x侧视图与俯视图；（B）La/MoO_3-x结构；（C、D）N₂与La/MoO_3-x及MoO_3-x间的电荷密度差，红色等值面对应电荷积累；（E、F）N₂ π^*2p轨道及La→N₂电子转移示意图；（G、H）La/MoO_3-x光催化固氮性能与循环稳定性；（I）N₂在单金属位与双金属位结合的示意图；（J）TM₂/g-CN上“端式”与“侧式”^*N₂吸附能，阴影表示该模式无法吸附，红/紫分别表示强/弱结合；（K）所设计BMOF中双金属位N₂成键示意图；（L）FeFe/BNNT反应中间体ΔG图，插图为FeFe/BNNT上侧式N₂吸附。

图5：（A）BiO量子点（BiO QDs）制备示意图；（B）BiO QDs的高分辨TEM（HRTEM）图像；（C）BiO QDs上N₂活化与加氢的可能路径；（D）不同样品在纯水中随光照时间变化的NH₃产率；（E）BiOCl晶体结构及其解理（001）与（010）面；（F）N₂在BiOCl（001）面的端式吸附模式及在（010）面的侧式吸附模式；（G）N₂在不同BiOCl晶面的吸附能；（H）BiOCl光催化剂的N₂-TPD谱图（插图为氧空位EPR信号）；（I）MIL-53(Fe²⁺/Fe³⁺)制备示意图；（J）不同光催化剂的NH₃产率；（K）MIL-53(Fe²⁺/Fe³⁺)-0.1光催化固氮反应路径；（L）NJUZ-1在光催化固氮循环过程中的示意图。

综上，作者系统梳理了光催化固氮“酶促路径”（N₂侧向双位吸附）在缺陷调控、掺杂/表面工程及单/双原子催化中的最新进展，阐明吸附模式-电荷转移-自由能与性能关联，提出空间分离双活性位可同时实现侧向吸附并抑制析氢副反应。

本工作为设计低过电位、高选择性、可规模化的室温光合成氨催化剂奠定机理基础，对太阳能肥料及绿氨储氢技术具有直接指导意义。

Enzymatic Pathway: a Promising Photocatalytic Nitrogen Fixation Reaction Mechanism. Adv. Funct. Mater., 2025. https://doi.org/10.1002/adfm.202516463.