氨和硝酸盐是人类社会最基本、最重要的原材料。目前，基于Haber-Bosch法生产的工业合成氨和Ostwald法生产的工业合成硝酸盐面临着越发严峻的挑战，即高能耗、高成本和对环境有害的气体排放。因此，开发一种替代方法来实现固氮，以克服完善的Haber-Bosch和Ostwald工艺的固有缺陷，尤其是通过N₂分子的转化直接同时生成氨和硝酸盐很少被研究。

基于此，中国科学技术大学谢毅院士、张群教授和肖翀教授（共同通讯作者）等人报道了一个基于异质结的光催化系统（包括CdS和WO₃光催化剂），成功地实现了整体固氮，在温和条件下将N₂分子可持续地同时转化为氨和硝酸盐产品。

在文中，氧化还原异质结由还原型和氧化型半导体组成，其中前者具有负导带（CB）位置，后者具有高正价带（VB）位置。作为一种典型的还原型光催化剂，CdS具有负的CB位，激发的光电子表现出很强的还原性，而WO₃具有很高的正的VB位，这赋予了光生空穴很强的氧化能力。

通过连续离子层吸附和反应（SILAR）方法，可以在WO₃和CdS组分之间成功地构建紧密结合的界面和内置电场。通过载流子迁移在WO₃/CdS异质结中的内置电场，发现了界面电荷再分布（ICR）现象。在激发态，这种内电场和库仑引力提供了驱动光生电荷载流子分离和迁移的驱动力。

因此，强还原性光电子和氧化性光生空穴分别在CdS和WO₃组分中累积。光催化整体固氮反应将在不同的氧化还原位点进行，并在温和的条件下将N₂分子同步转化为氨和硝酸盐产物。

通过多电子过程活化N₂分子并还原为氨产物，产率为35.8 μmol h^-1 g^-1，并通过空穴诱导氧化偶联过程同步氧化为硝酸盐产物，产率为14.2 μmol h^-1 g^-1。该工作为在温和条件下实现人工固氮提供了新的见解和有希望的途径。

Designing a redox heterojunction for photocatalytic “overall nitrogen fixation” under mild conditions. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202200563.

https://doi.org/10.1002/adma.202200563.