低溫氨合成 高效又節(jié)能
近日，大連化物所潔凈能源國家實驗室（籌）陳萍研究員、郭建平博士在催化合成氨研究方面取得重要進展。該研究組創(chuàng)新性地提出了“雙活性中心”催化劑設(shè)計策略，并由此開發(fā)出一系列過渡金屬與氫化鋰組成的復合催化劑體系，實現(xiàn)了氨的低溫催化合成。相關(guān)研究成果于近期發(fā)表在《自然—化學》（NatureChemistry）期刊上。
氨是最基本的化工原料之一，也是最主要的肥料來源。從熱力學角度看，由氮氣和氫氣反應生成氨在常溫常壓條件下就可以進行。但是因為氮氣分子非常穩(wěn)定，難以活化，因此工業(yè)合成氨過程須在高溫高壓（350℃-500℃，50-200個大氣壓）條件下才能實現(xiàn)。如此苛刻的條件，使得合成氨工業(yè)每年需要消耗全球能源供應總量的1%-2%。我國是合成氨生產(chǎn)第一大國，合成氨年產(chǎn)量接近世界合成氨總量的30%。針對我國國情，開發(fā)低溫、低壓、高效的合成氨催化劑具有重要戰(zhàn)略意義。
合成氨研究盡管已有上百年歷史，但仍沒有實現(xiàn)低溫低壓合成，難點在哪？
前期研究表明，在過渡金屬表面上，反應能壘與反應物種的吸附能之間存在著限制關(guān)系，使得在單一的過渡金屬催化劑上很難實現(xiàn)氨的低溫高效合成。
針對上述問題，陳萍研究團隊創(chuàng)造性地將氫化鋰作為第二組分，引入到催化劑中，構(gòu)筑了“過渡金屬—氫化鋰”這一雙活性中心復合催化劑體系，并提出了“活化氮轉(zhuǎn)移”的反應機理，使得氮氣和氫氣的活化及中間物種的吸附發(fā)生在不同的活性中心上，從而打破了單一過渡金屬上的反應能壘與吸附能之間的限制關(guān)系，使得氨的低溫低壓合成成為可能。
實驗結(jié)果顯示，氫化鋰的加入對第三周期過渡金屬的活性均有顯著的促進作用，特別是Fe-LiH（鐵-氫化鋰）和Co-LiH（鈷-氫化鋰）復合催化劑在150℃即表現(xiàn)出了可觀的氨合成催化活性，顯示出了“雙活性中心”策略的有效性和普適性。
此前，陳萍研究團隊已在堿金屬氫化物、氮化物、氨基/亞氨基化合物等方面進行了十余年的研究積累。這項研究是繼該類化合物成功應用于儲氫和催化氨分解之后的又一新的突破。
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