近日,中國科學院大連化學物理研究所研究員陳萍、郭建平團隊與丹麥技術大學教授Tejs Vegge團隊等合作,首次將配位氫化物材料應用於催化合成氨反應中,開發了一類新型鹼(土)金屬釕基三元氫化物催化劑,實現了溫和條件下氨的催化合成。相關成果發表于《自然—催化》。

氨是一種重要的化工原料和極具前景的能源載體,以化石能源驅動的常規合成氨工業屬於高能耗、高碳排放,因此實現在溫和條件下氨的高效合成具有重要的科學意義和實用價值。可再生能源驅動的“綠色”合成氨過程中,開發低溫低壓高效合成氨催化劑是核心。

團隊開發的鹼(土)金屬釕基三元氫化物催化劑材料可實現溫和條件下氨的催化合成。該催化劑材料是一種離子化合物,由釕(Ru)和負氫的配位陰離子[RuH6]4-和鹼(土)金屬陽離子鋰離子(Li+)或鋇離子(Ba2+)構成,在低溫、低壓下具有優異的催化合成氨性能。當反應溫度低至100攝氏度時,鹼(土)金屬釕基三元氫化物催化劑仍有可檢測的催化活性。研究發現,該類三元氫化物催化劑材料的合成氨反應遵循氫助解離式機制,其所有組分均參與了合成氨反應,即富電子的Ru的配位陰離子是氮氣活化位點,負氫是電子和質子傳遞載體,Li+或Ba2+通過穩定中間物種降低反應能壘,通過多組分協同催化,使氮氣和氫氣以能量較優的反應路徑轉化為氨。

作為一類獨特的化合物催化劑,該類三元氫化物催化劑在組成、結構、反應動力學性質、活性中心作用機制等方面顯著不同於常規多相合成氨催化劑,而與均相合成氨催化劑存在一定關聯,為多相固氮和均相固氮研究架起了橋梁。

該研究豐富了合成氨催化劑體系,並提出了構建“富電子、多組分活性位點”這一合成氨催化劑設計策略,為進一步探尋低溫低壓高效合成氨催化劑提供了新思路。卜葉