暨南大学融媒体中心讯 暨南大学吴涛教授团队及合作者提出了一种原子级壳层工程策略，用于高效近红外光驱动氨合成。研究发现，金纳米棒（AuNRs）表面原位构筑的原子级超薄GeSx壳层可显著抑制电子-声子散射，将纵向光学声子散射速率从4.61×1011s-1降低至2.07×1011s-1，从而延长等离激元热电子寿命。同时，壳层中丰富的硫空位暴露出电子缺位态的Ge位点，能够高效吸附并活化N≡N键。基于这一机制，团队设计并构建了GeSx-Au核壳异质结构，在近红外光照射下实现了1225.6 μmol g-1h-1的氨产率，880 nm处表观量子效率达1.23%，性能位居所有近红外光固氮催化剂前列。相关成果以“Atomic-Shell Engineering of GeSx-Au Nanorods Synergistically Suppresses Phonon Scattering and Activates N2for Near-Infrared-Driven Ammonia Synthesis”为题，发表于Research（2026, 9: Article 1169, DOI: 10.34133/research.1169）。
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氨不仅是化肥工业的核心原料，近年来更作为一种极具潜力的“零碳”能源载体而备受关注。然而，工业合成氨主要依赖高能耗、高排放的哈伯-博世工艺（Haber-Bosch process）。太阳能驱动的光催化氮还原技术被视为实现绿色合成氨的革命性途径。但这一技术面临两大问题：一是 N≡N极高的解离能垒（946 kJ/mol），二是太阳光谱中的近红外光（近50%）由于光子能量低而难以被有效利用。
在众多光催化剂中，金纳米棒（AuNRs）凭借其可调谐的局域表面等离激元共振特性（LSPR），在近红外区展现出巨大的光捕获潜力。然而，光激发产生的“热电子”寿命极短，大部分能量会通过电子-声子散射以热量形式耗散，无法及时参与到催化反应中，严重制约了催化效率。因此，设计合理地高效利用近红外光实现光催化固氮的催化剂具有重要的学术价值。
暨南大学吴涛课题组通过利用Au-S的强配位作用，在AuNRs表面构筑原子级超薄GeSx壳层，通过表面S空位高效活化N2，同时显著抑制电声散射，实现了高效的近红外光固氮反应（图1）。
图1 原子级薄壳GeSx-Au通过抑制电声散射实现高效近红外固氮的策略
首先，作者利用可溶性硫族团簇小分子T2-Ge作为牺牲前体，通过Au-S强配位作用，在AuNRs表面原位重构生成原子级非晶GeSx薄壳。通过调整T2前体浓度，即可简便调整壳层厚度，在T2前体浓度为0.55 mg/L时，壳层厚度约为0.5-0.7 nm（图2）。表面GeSx结构由于重整产生高浓度S空位，Ge位点保留高价态且未被氧化，有利于高效吸附活化N2（图3）。
图2 T2-Ge前体在AuNRs表面重构形成超薄GeSx壳层
图3 GeSx-Au的配位环境与表面结构分析
其次，利用GeSx-Au尝试在近红外光驱动下进行固氮反应，结果显示，其氨产率可达1225.6 μmol g-1h-1，在880 nm处的表观量子效率（AQY）达到了1.23%，在所有固氮光催化剂中性能占据前列（图4）。机理分析表明，表面丰富的S空位能够有效吸附活化N2，且满足逐步加氢的远端缔合机制，具有更低的反应能垒（图5）。
图4 GeSx-Au催化近红外光固氮反应的催化效果及评价
图5 GeSx-Au催化近红外固氮反应的催化活性位点及机制分析
最后，作者使用瞬态光谱详细描述GeSx-Au内部电子弛豫行为，结果显示，相比于纯AuNRs，GeSx-Au的纵向光学声子散射速率从4.61×1011s-1显著降低至2.07×1011s-1（图6）。这意味着，原本会迅速损失能量的热电子得以从金核高效注入到GeSx壳层表面，参与后续的氮还原反应，因此显著提升催化效果。
图6 GeSx-Au的电子-声子散射能量损耗途径的评估
本研究通过精准的原子级壳层工程，成功解决了等离激元光催化中热电子能量快速耗散和氮气难以活化两大核心难题。瞬态吸收光谱直接证明了电子-声子散射被显著抑制，硫空位暴露的缺电子Ge位点为N2提供了高效活化中心。两者协同，实现了近红外光驱动下创纪录的氨合成效率。
这项研究的意义不仅在于提供了一种高效催化剂，更在于提出了一种普适性的“能量-物质协同工程”策略：通过原子级薄层半导体壳层同时抑制能量耗散和精准构建分子活化位点。该设计理念有望拓展至CO2还原、甲烷转化等其他重要光催化反应，推动全光谱太阳能的高效利用，为绿色合成氨及太阳能燃料生产开辟新路径。
《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的国际化、高影响力综合性OA期刊，也是《Science》自1880年创刊以来首本合作期刊。期刊主要发表先进能源、先进制造、先进材料等交叉领域的突破性原创成果。主编由中国科协副主席、中国科学院院士包为民（中国）和美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏（国际）共同担任。第二届编委会汇聚193位来自19个国家的知名专家，其中包括70位院士；2025年成立青年编委会，吸纳350余位青年学者。目前，期刊已被SCIE、EI、PMC、CSCD等数据库收录，2025年SCI影响因子为10.7，为中国科学院综合类1区TOP期刊，并入选卓越期刊二期计划。
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