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新型催化劑實現(xiàn)溫和條件下氨催化合成

發(fā)布日期：2021-12-15 閱讀量：677

氨是一種重要的化工原料和極具前景的能源載體，常規(guī)以化石能源驅(qū)動的合成氨工業(yè)是一個高能耗、高碳排放的過程，實現(xiàn)在溫和條件下氨的高效合成具有重要的科學(xué)意義和實用價值。近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員陳萍、郭建平團隊與丹麥技術(shù)大學(xué)教授Tejs Vegge團隊等合作，在催化合成氨研究方面取得進展。團隊首次將配位氫化物材料應(yīng)用于催化合成氨反應(yīng)中，開發(fā)了一類新型堿（土）金屬釕基三元氫化物催化劑，實現(xiàn)了溫和條件下氨的催化合成。相關(guān)成果發(fā)表在《自然—催化》上。

可再生能源驅(qū)動的“綠色”合成氨過程中，開發(fā)低溫低壓高效合成氨催化劑是核心。研究中，團隊開發(fā)的堿（土）金屬釕基三元氫化物催化劑材料可實現(xiàn)溫和條件下氨的催化合成。該催化劑材料是一種離子化合物，由釕（Ru）和負(fù)氫的配位陰離子[RuH6]4-和堿（土）金屬陽離子鋰離子（Li⁺）或鋇離子（Ba²⁺）構(gòu)成，其在低溫、低壓下具有優(yōu)異的催化合成氨性能。當(dāng)反應(yīng)溫度低至100攝氏度時，堿（土）金屬釕基三元氫化物催化劑仍有可檢測的催化活性。研究發(fā)現(xiàn)，該類三元氫化物催化劑材料的合成氨反應(yīng)遵循氫助解離式機制，其所有組分均參與了合成氨反應(yīng)，即富電子的Ru的配位陰離子是氮氣活化位點，負(fù)氫是電子和質(zhì)子傳遞載體，Li⁺或Ba²⁺通過穩(wěn)定中間物種降低反應(yīng)能壘，通過多組分協(xié)同催化，使氮氣和氫氣以能量較優(yōu)的反應(yīng)路徑轉(zhuǎn)化為氨。

作為一類獨特的化合物催化劑，該類三元氫化物催化劑在組成、結(jié)構(gòu)、反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)、活性中心作用機制等方面顯著不同于常規(guī)多相合成氨催化劑，而與均相合成氨催化劑存在一定關(guān)聯(lián)，為多相固氮和均相固氮研究架起了橋梁。更為重要的是，該項研究豐富了合成氨催化劑體系，并提出了構(gòu)建“富電子、多組分活性位點”這一合成氨催化劑設(shè)計策略，為進一步探尋低溫低壓高效合成氨催化劑提供了新思路。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41929-021-00698-8

來源：中國科學(xué)報