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【資料圖】

氨(新罕布什爾州3)是世界上生產(chǎn)最廣泛的化學(xué)品之一，187年的產(chǎn)量超過2020.85億噸。其中約<>%用于生產(chǎn)氮肥，其余用于精煉石油，制造各種其他化學(xué)品以及制造尼龍等合成纖維。然而，所有這些都是以高昂的能源成本為代價的。

目前，大部分氨是使用傳統(tǒng)的哈伯-博世工藝生產(chǎn)的，該工藝需要在高溫(400-450°C)和壓力(200個大氣壓)下結(jié)合氮氣和氫氣。因此，科學(xué)家們正在積極尋找能夠降低氨生產(chǎn)能源需求并使合成更具可持續(xù)性的催化劑。

釕(Ru)是一種貴金屬，由于其在低溫下吸收氮氣的非凡能力，一直是這方面的主要候選者。然而，其高成本阻礙了其在大規(guī)模氨合成中的廣泛采用。雖然鈷(Co)被認(rèn)為是更具成本效益的替代品，但在低溫下實現(xiàn)與Ru相同的催化活性一直很困難。

為了增強Co的催化活性，包括東京工業(yè)大學(xué)(Tokyo Tech)的Masaaki Kitano教授在內(nèi)的一組研究人員在最近的一項研究中開發(fā)了Co納米顆粒的支持材料。該材料是一種含鋇的氧氫化物，稱為BaAl。2O4-xHy，在低溫下將Co的催化活性提高到與Ru催化劑相當(dāng)?shù)乃剑⒈Ｗo(hù)H離子和電子免受空氣和水分的影響。這一突破發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會雜志》上。-

“我們試圖開發(fā)一種含鋇的氫化物，Ba2一個L2O4-xHy獲得高效且化學(xué)耐久的催化劑，并開啟設(shè)計新型無機(jī)電化物材料并觸發(fā)其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用的新方法，“北野教授解釋道。

團(tuán)隊是如何實現(xiàn)這一壯舉的?簡而言之，BaAl2O4-xHy具有獨特的結(jié)構(gòu)，可促進(jìn)氮在Co上的解離。該材料表現(xiàn)出填充的三疊石結(jié)構(gòu)，其中AlO是4四面體連接形成三維(3D)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在鋇離子之間形成籠狀空隙。這些間隙位點就像容納負(fù)電荷的口袋，使材料能夠?qū)㈦娮泳栀浗oCo并促進(jìn)氮分子分解成氮吸附原子。

為了提高材料的供電子能力，研究人員通過替換O2-晶格離子與H離子(O-2-(框架)+ 1/2 H2= H (框架) + 1/2 O-2+ e(籠子))。H離子的引入不僅提高了BaAl的供電子能力--2O4但也促進(jìn)了所需的氮還原為氨。

通過促進(jìn)N的解理2并隨后將其還原為氨，Co/Ba2鋁2O4-xHy催化劑每小時每克鈷可產(chǎn)生超過500 mmol的氨，這是Co基催化劑的記錄值。此外，與傳統(tǒng)的Co催化劑相比，傳統(tǒng)的Co催化劑通常具有超過100 kJ / mole的氨合成活化能，所提出的催化劑表現(xiàn)出僅48.9 kJ / mole的活化能。

此外，填充的tridymite結(jié)構(gòu)耐用且可重復(fù)使用，具有AlO4基于四面體框架，保護(hù)晶格H-離子和電子免受氧化。最后，在暴露了Co / BaAl之后2O4-xHy對于空氣，研究人員可以通過簡單地將其加熱在氫氣中來恢復(fù)高達(dá)95%的原始活性。

憑借其良好的化學(xué)穩(wěn)定性、增強的催化活性和高可重復(fù)使用性，Co/BaAl具有2O4-xHy 催化劑在低溫下合成氨顯示出巨大的前景。“這種新型無機(jī)電化物為開發(fā)用于綠色氨合成的高效穩(wěn)定的無釕催化劑提供了一種新方法，”北野教授總結(jié)道。