固氮作用,自然界有两大生命现象之一,是将空气中的氮气固定成化合态的氮,主要包括氨和硝酸。氨和硝酸作为重要的农业原料及工业化学品,在人类社会经济发展中具有举足轻重的地位。目前,世界上人工合成氨的最主要途径是哈伯发明的氨合成法,被认为是20世纪最伟大的化学发明。然而,该生产过程需要在高温(400-500°C)和高压(100-200 atm)下进行,同时该工艺反应每年消耗全世界～1%的化石能源,也造成了数亿吨的二氧化碳排放。另一方面,氮气固定的另一个附加值更高的重要产物硝酸,作为炸药和农业化肥的基础原料则关注较少。工业上,硝酸生产往往在哈伯法合成氨气的基础上还需要进行后续的高温高压条件的氨氧化法获得,也就是合成氨只是触及到硝酸盐工业的第一步,后续仍需要消耗大量的能量并会排放CO2等废气。因此,越来越多的科研人员把目光投向常温常压,希望能开发出合适的催化剂在温和或接近温和的条件下进行固氮反应。光催化固氮是指在光照条件下,通过催化剂将游离的氮气转化为氨氮化合物的过程,该反应实现了温和条件下的人工固氮,具有重要的生物和化学意义。要想温和条件下实现固氮效率的大幅度提升以适应工业化的要求,首先要解决催化剂问题,开发高效催化剂已经成为光催化固氮领域亟待解决的前沿性重大课题。尽管近三十年材料低维化使光催化材料焕发了更强的生命力,但是对于缺陷的存在状态、作用机制甚至性能决定性影响规律都极度缺乏。一方面随着固体材料的低维化,随着表面原子充分暴露而诱发缺陷的可能性大大增加,显得在低维固体中缺陷的研究更为重要。另一方面,由于传统表征手段难以有效建立清晰的缺陷结构模型及其与性能的关联性,缺陷结构的核心作用往往被忽视。因此,低维固体中缺陷的形成和演化理论以及缺陷对低维固体物理化学性能的影响机制始终停留在唯象论,已经成为制约低维固体材料科学发展的瓶颈,亟待更深入的实验研究去发现和认识亟待研究基于缺陷的物理化学新现象、新规律和新应用。本报告将以二维固体为主要对象,阐述本课题组近年来在富含缺陷的二维固体的精确可控制备、局域缺陷结构的精准表征、通过缺陷工程调控二维固体电子结构并应用于光催化方面的系列研究进展。