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    我国学者与海外合作者在氢化物催化合成氨研究方面取得进展

    日期 2021-11-25   来源:化学科学部   作者:伊晓东 周荣 付雪峰 高飞雪  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:21988101、21633011、21922205)等资助下,中国科学院大连化学物理研究所陈萍团队与丹麦技术大学Vegge教授团队合作,通过设计碱(土)金属钌基三元配位氢化物合成氨催化剂新体系,提出了构建“富电子、多组分活性位”的催化剂设计策略。相关成果以“三元钌配位氢化物缔合加氢合成氨(Ternary Ruthenium Complex Hydrides for Ammonia Synthesis via the Associative Mechanism)”为题,于2021年11月18日在线发表在《自然-催化》(Nature Catalysis)杂志上。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41929-021-00698-8。

      氨不仅是至关重要的基础化工原料,近期亦被认为是极具前景的能源载体。现有的Haber-Bosch合成氨工业强烈依赖化石能源,是一高能耗、高碳排放过程。开发可再生能源驱动的、温和条件下的“绿色合成氨”是实现人类社会可持续发展的前沿技术。近年来,电化学、光化学等合成氨新方法以及氢化物、电子化物等新材料不断涌现,积极推动了合成氨研究的深入与拓展。

      在前期研究基础上,研究团队构建了碱(土)金属钌基三元氢化物(Li4RuH6和Ba2RuH6)催化剂,在低温(<300 ºC)和低压(< 10 bar)下表现出优异的催化合成氨性能。并且在反应温度低至100 ºC时,Ba2RuH6催化剂仍有可观测的催化活性。结合理论计算,发现该类三元氢化物催化剂遵循氮气缔合解离式机制,其所有组分均参与了合成氨反应,即富电子的[RuH6]是N2活化位点,H‾是电子和质子传递载体,Li+或Ba2+通过稳定NxHy物种降低了反应能垒(图1),通过多组分协同催化使得N2和H2以能量较优的反应路径转化为NH3

      该类三元氢化物催化剂作为一类独特的化合物催化剂,其在组成、结构、反应动力学性质、活性中心作用机制等方面明显不同于常规合成氨催化剂。该研究丰富了合成氨催化剂体系,为进一步探寻低温低压下高效合成氨催化剂提供了新思路。

    图1 钌基三元氢化物的结构、催化活性及其合成氨反应机制




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