IT之家 12 月 18 日消息，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所今日官宣，該所能源催化轉(zhuǎn)化全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室能源與環(huán)境小分子催化研究中心（509 組群）鄧德會(huì)研究員、黃瑞研究員、于良研究員團(tuán)隊(duì)在合成氨領(lǐng)域取得新進(jìn)展。
團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了“反應(yīng)耦合”與“雙位點(diǎn)協(xié)同”相結(jié)合的策略，在 100 至 320 °C 的溫和條件下，實(shí)現(xiàn)了以氮?dú)夂退疄樵现苯雍铣砂?/strong>，為發(fā)展短流程、低能耗的合成氨技術(shù)提供了新途徑。
氨（NH3）是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和化工生產(chǎn)的關(guān)鍵原料。傳統(tǒng) Haber-Bosch 合成氨工藝依賴(lài)高純氫氣作為原料，其制備過(guò)程能耗高，且后續(xù)純化步驟復(fù)雜。若能將豐富的水資源直接作為氫源，與大氣中的氮?dú)夥磻?yīng)，將有望從源頭縮短合成氨的流程，從而大幅降低能耗和成本。
然而，該反應(yīng)面臨兩大核心挑戰(zhàn)：
一是氮?dú)馀c水直接反應(yīng)在熱力學(xué)上極為不利（ΔG >> 0），需要輸入極高能量才能發(fā)生；
二是反應(yīng)體系中的水分子及含氧中間體會(huì)強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)催化劑的活性位點(diǎn)，抑制氮?dú)獾奈脚c活化，導(dǎo)致反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程受阻。
本工作針對(duì)上述挑戰(zhàn)，提出了系統(tǒng)性的解決方案。
在熱力學(xué)層面，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入一氧化碳（CO）調(diào)變熱力學(xué)，利用其與水中氧原子反應(yīng)的強(qiáng)放熱，將原本強(qiáng)吸熱的反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)有利反應(yīng)，從而繞開(kāi)氮?dú)馀c水反應(yīng)的熱力學(xué)限制。
在動(dòng)力學(xué)層面，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了 Au/α-MoC1-x 雙位點(diǎn)催化劑，其界面鉬（Mo）位點(diǎn)負(fù)責(zé)吸附活化氮?dú)猓∟2）和水（H2O）生成氨，界面金（Au）位點(diǎn)則吸附 CO 作為“氧受體”移除殘余氧，二者協(xié)同實(shí)現(xiàn)了氮?dú)饣罨?、水分解、加氫與氧移除等多個(gè)步驟的相互拉動(dòng)與催化循環(huán)。
該“反應(yīng)耦合”與“雙位點(diǎn)協(xié)同”相結(jié)合的策略使得原本不可行的反應(yīng)在 100 °C 的低溫下即可啟動(dòng)，在 320 °C 時(shí)產(chǎn)氨速率達(dá) 1396 μmol g-1 h-1，其性能較相同條件下利用氫氣作為氫源的體系高出 2 倍以上。
該工作不僅證實(shí)了溫和反應(yīng)條件下氮?dú)夂退苯雍铣砂钡目尚行裕?strong>更在原理上為開(kāi)發(fā)其他直接用水作為氫源的高效催化加氫過(guò)程提供了借鑒。
相關(guān)研究成果以“Direct Ammonia Synthesis from Nitrogen and Water at Mild Conditions”為題，于 12 月 2 日發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）上，上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、大連化物所能源催化轉(zhuǎn)化全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、大連化物所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。
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https://doi.org/10.1021/jacs.5c17318
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