新型催化劑助力高效綠色制備氨氣

近日，南京工業(yè)大學吳宇平教授課題組聯(lián)合武漢理工大學的趙焱教授課題組證明了新型單原子催化劑(Mo/BP)是一種很有前途的電化學合成氨催化劑，有望大幅提高制氨的產(chǎn)率，減少物料能量的浪費。該成果日前發(fā)表于《Energy & Environmental Materials》(能源與環(huán)境材料)上。

氨是世界上最重要的基礎(chǔ)化學品之一，在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛用途。但傳統(tǒng)的合成氨工藝需要在高溫高壓條件下進行反應，能耗高且造成大量溫室氣體排放。目前，能夠在溫和條件下(常溫常壓)實現(xiàn)氨合成的電催化合成氨技術(shù)，被公認為是一種綠色節(jié)能高效碳減排技術(shù)。其中，設(shè)計制備高活性和穩(wěn)定性的電催化劑是該技術(shù)實用化的關(guān)鍵。

目前，在全球低碳經(jīng)濟和我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略理念的影響下，開發(fā)新型綠色合成氨技術(shù)替代傳統(tǒng)的Haber-Bosch工藝是當今的研究熱點之一。其中，電催化還原氮氣合成氨技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注：反應原料來源廣泛，使用大氣中的N2作為氮源、水作為氫源;反應條件溫和(常溫常壓);采用可再生電能驅(qū)動;有望實現(xiàn)分布式綠色制氨等，這被公認為是一種能夠在溫和條件下(常溫常壓)實現(xiàn)氨合成的綠色節(jié)能高效碳減排技術(shù)。

電催化合成氨技術(shù)實用化的關(guān)鍵，是要設(shè)計制備出高活性和高穩(wěn)定性的電催化劑。為了篩選出這樣的催化劑，我們用缺陷二維磷化硼(BP)作為載體材料，然后將12種過渡金屬單原子(Pd, Ag, Rh, Cu, Ti, Mo, Mn, Zn, Fe, Co, Ru 和 Pt)分別負載于BP上作為新型單原子合成氨催化劑。我們團隊采用了高效的密度泛函理論研究方法，系統(tǒng)研究了它們各自的催化性能。通過研究篩選發(fā)現(xiàn)，Mo單原子負載的BP催化劑材料，不僅具有高效的氮氣活化還原合成氨能力，同時在抑制析氫競爭反應等方面性能同樣突出。

合成氨本質(zhì)上是一種還原反應。氮氣分子在常溫常壓下具有一定的惰性，Mo單原子負載的BP催化劑材料可以使其活化，從而促進還原反應過程;并且這種催化劑還能減少反應過程中氫氣的釋放，抑制析氫競爭反應。相關(guān)研究成果成功從理論上證明了新催化劑(Mo/BP)對于合成氨反應的進度推進效果，將直接對實驗運用產(chǎn)生重要影響，對于制氨與單原子電催化劑在發(fā)展高效碳減排合成氨技術(shù)中的應用具有重要意義。