氮是地球大气的主要成分，约占空气体积的78%[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。氮的固定和转化对于农业生产中的肥料制造以及工业生产中的重要化学原料（如氨、硝酸和含氮聚合物）至关重要。这一氮循环在生态环境的可持续发展中发挥着重要作用[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。传统的哈伯-博施工艺需要在高温高压下将氮和氢合成氨，消耗了全球1%至2%的能量，可能加剧全球气候变化。因此，寻找更高效、温和且可持续的氮还原途径一直是一个关键的科学问题[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。
铁电材料是一类具有独特极化特性的材料，在氮固定领域作为光催化剂受到了关注[18]、[19]、[20]、[21]。以铁电钛酸钡BaTiO3（BTO）为例，其在居里温度以下呈现四方晶体结构，自发极化（Ps）方向沿[001]晶向[22]、[23]。当受到应力等外部作用力时，机械能可以转化为电能，由此产生的压电效应为光催化氮固定反应提供了新的可能性。研究表明，压电效应产生的电场可以促进光生载流子的分离和迁移，从而提高催化反应的效率[24]、[25]、[26]、[27]。例如，Wang等人利用超声诱导的机械应变在BTO中产生极化场，将外部力场的能量转化为压电电荷[28]。Polyheptazine imide（DCKN）在100 MPa的压力下引起晶格畸变和内部电荷分布重构，增强的偶极矩和极化为光生载流子的分离和活性位点的形成提供了条件[29]。由此可见，这种力场可以作为压电催化材料驱动催化反应的能量输入源之一。
铁电材料还受到光场、电场或其他外部场的影响[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。例如，Yang等人发现BaTiO3基铁电材料在光场作用下的极化状态会发生变化[36]。分离出的光生电子和空穴提高了光催化氮固定的效率。He等人的研究表明，施加的电场显著改变了钛酸钡薄膜的极化反转和铁电畴结构，并能调节表面电荷分布[37]。Feng等人的研究表明，施加的声场促进了BTO/graphdiyne/金纳米纤维材料中Ti-O键的伸缩变化，增强的极化有利于载流子的传输。可以看出，基于铁电材料的催化反应在多场条件下表现出丰富的可调性。同时，铁电材料还表现出强烈的结构敏感性[39]、[40]、[41]。例如，热处理方法可以在BTO中产生氧空位，氧空位可以提高BTO的压电极化性能并调节Ti3+的局部电子结构，促进N2的活化和解离[42]。在BaTiO3/SrTiO3中，Li等人发现BTO的晶格畸变与异质结构组分SrTiO3的耦合有关，局部可调的压电场有效优化了载流子分离效率[43]。在多场耦合下，铁电材料的极化可调性为其在氮固定反应中的外部场调控应用提供了内在优势。
鉴于铁电材料的内在物理特性，本文从极化调控的角度阐明了其介电和压电物理性质。从力学角度讨论了铁电材料在压电效应下的稳定性。基于铁电材料的表面结构，阐明了其在催化氮固定中的选择性机制。总结了铁电材料在氮固定中的设计策略，包括缺陷工程、单原子工程、异质结工程和机器学习（ML）设计，并强调了多场协同效应的关键作用。最后，从实际应用的角度讨论了优化和使用铁电材料进行氮固定的难点。
N键。氮分子与氢原子发生还原反应，生成相应的中间体，这些中间体在催化剂表面进一步生成氨[124]、[125]、[126]
