此次研究融合了化學(xué)、物理學(xué)與材料科學(xué)中的許多經(jīng)典原理、反應(yīng)與理論，為重新審視鐵磁材料的順磁相在多相催化中的催化性能開辟了一條新的途徑，或?qū)樵O(shè)計性能優(yōu)異的催化劑提供理論參考。

——王濤 西湖大學(xué)教授

氨作為一種無機化合物，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。如何高效、環(huán)保地合成氨，助力相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，是人們廣泛關(guān)注的問題。

【資料圖】

近日，西湖大學(xué)人工光合作用與太陽能燃料中心在合成氨催化機理研究方面取得了新進(jìn)展。在此次研究中，研究團隊通過理論計算，揭示了鐵磁—順磁相變對鐵磁金屬催化性能的影響機制，并提出了進(jìn)一步優(yōu)化合成氨活性的理論新策略，為未來設(shè)計性能優(yōu)異的催化劑提供了重要參考。研究成果近日發(fā)表在《美國化學(xué)會志》期刊上。

立足改進(jìn)金屬催化劑提升反應(yīng)效率

“合成氨對于人類的生產(chǎn)生活意義重大。氨既是農(nóng)業(yè)中生產(chǎn)化肥的重要原料，也是工業(yè)中制備精細(xì)化學(xué)品的關(guān)鍵氮源，更是一種理想的無碳燃料和氫氣載體。”此次研究的課題負(fù)責(zé)人、西湖大學(xué)教授王濤對記者表示。

目前，工業(yè)界常用的大規(guī)模合成氨的傳統(tǒng)方法是哈伯法，也稱哈伯—博施法。哈伯法是一種通過讓氮氣和氫氣在金屬催化劑的作用下進(jìn)行反應(yīng)，以合成氨的方法。然而，目前工業(yè)界使用哈伯法進(jìn)行大規(guī)模合成氨，每年不僅間接導(dǎo)致了約3億噸的二氧化碳排放，還消耗了全球約2%的能源。

要降低合成氨的碳排放和成本，提高反應(yīng)效率是最為重要的途徑之一。此次研究中，研究團隊將目光投向了改進(jìn)合成氨過程中要用到的金屬催化劑本身。

王濤介紹，在催化劑領(lǐng)域，催化速度只能達(dá)到薩巴蒂爾原理所允許的限度。薩巴蒂爾原理定義了理想催化劑的標(biāo)準(zhǔn)，即催化劑與反應(yīng)物種的作用力要恰到好處，催化劑與反應(yīng)物種的作用力既不能太強，也不能太弱。具體來說，假如催化劑與反應(yīng)物種的作用力太強，反應(yīng)的產(chǎn)物將難以脫附；若催化劑與反應(yīng)物種的作用力太弱，反應(yīng)物則將無法被催化劑有效活化。催化劑與反應(yīng)物種的作用力無論是太強還是太弱，都會降低催化速度。

揭示鐵磁—順磁相變對催化性能影響機制

在此次研究的一次理論計算中，研究團隊發(fā)現(xiàn)，原本具有磁性的金屬在合金化后，出現(xiàn)了磁性消失的現(xiàn)象。這意味著，部分金屬存在鐵磁—順磁相變的情況。

“磁性變化作為一種電子交換—關(guān)聯(lián)作用，體現(xiàn)為體系電子結(jié)構(gòu)的變化。由于催化劑的電子結(jié)構(gòu)決定了催化劑與反應(yīng)物的吸附強度，磁性變化可以在一定程度上影響整體反應(yīng)的活性。”王濤表示。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，在保持反應(yīng)條件不變的前提下，使用順磁性鈷和鎳作為催化劑的氨合成，反應(yīng)效率比鐵磁性狀態(tài)下要高出100倍—10000倍，效率得到了極大的提高；使用順磁性的鈷代替釕作為催化劑，則有可能在催化劑成本降低400倍的基礎(chǔ)上，使反應(yīng)活性提升10倍，反應(yīng)活性得到了很大的增強。研究表明，鐵磁—順磁相變對鐵磁金屬的催化性能存在較為重大的影響。

“此次研究融合了化學(xué)、物理學(xué)與材料科學(xué)中許多經(jīng)典原理、反應(yīng)與理論，為重新審視鐵磁材料的順磁相在多相催化中的催化性能開辟了一條新的途徑，或?qū)樵O(shè)計性能優(yōu)異的催化劑提供理論參考。”王濤說。

標(biāo)簽： 工業(yè)合成氨