評論員文章

【資料圖】

氨(新罕布什爾州3)是世界上生產最廣泛的化學品之一，187年的產量超過2020.85億噸。其中約<>%用于生產氮肥，其余用于精煉石油，制造各種其他化學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的哈伯-博世工藝生產的，該工藝需要在高溫(400-450°C)和壓力(200個大氣壓)下結合氮氣和氫氣。因此，科學家們正在積極尋找能夠降低氨生產能源需求并使合成更具可持續性的催化劑。

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模氨合成中的廣泛采用。雖然鈷(Co)被認為是更具成本效益的替代品，但在低溫下實現與Ru相同的催化活性一直很困難。

為了增強Co的催化活性，包括東京工業大學(Tokyo Tech)的Masaaki Kitano教授在內的一組研究人員在最近的一項研究中開發了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催化劑相當的水平，并保護H離子和電子免受空氣和水分的影響。這一突破發表在《美國化學學會雜志》上。-

“我們試圖開發一種含鋇的氫化物，Ba2一個L2O4-xHy獲得高效且化學耐久的催化劑，并開啟設計新型無機電化物材料并觸發其在其他領域的應用的新方法，“北野教授解釋道。

團隊是如何實現這一壯舉的?簡而言之，BaAl2O4-xHy具有獨特的結構，可促進氮在Co上的解離。該材料表現出填充的三疊石結構，其中AlO是4四面體連接形成三維(3D)網絡結構，在鋇離子之間形成籠狀空隙。這些間隙位點就像容納負電荷的口袋，使材料能夠將電子捐贈給Co并促進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但也促進了所需的氮還原為氨。

通過促進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生超過500 mmol的氨，這是Co基催化劑的記錄值。此外，與傳統的Co催化劑相比，傳統的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出僅48.9 kJ / mole的活化能。

此外，填充的tridymite結構耐用且可重復使用，具有AlO4基于四面體框架，保護晶格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高達95%的原始活性。

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