我所發(fā)現(xiàn)非常規(guī)、高活性鉻基合成氨催化劑
近日,我所復(fù)合氫化物材料化學(xué)研究組(DNL1901)陳萍研究員、郭建平研究員團(tuán)隊(duì)與德國馬普學(xué)會煤化學(xué)研究所Weidenthaler教授、廈門大學(xué)吳安安副教授合作,發(fā)現(xiàn)了一種Ba-Cr四元氮?dú)浠铮╪itride-hydride)催化劑,在較為溫和的條件下實(shí)現(xiàn)了氨的催化合成。
氨不僅是氮肥的主要原料,也可作為能源載體在可再生能源的儲存與轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮重要的作用?,F(xiàn)有的Haber-Bosch合成氨工業(yè)過程的反應(yīng)條件非??量蹋囟?50至550℃,壓力10至30MPa), 開發(fā)低溫低壓高活性催化劑是研究人員長期以來不懈追求的目標(biāo)。目前,科研人員大多基于活性金屬鐵和釕開發(fā)催化劑,相較而言,對前過渡金屬如鉻等的研究相對較少。
本工作中,該團(tuán)隊(duì)在前期工作(Angew. Chem. Int. Ed.,2015;Nat. Chem.,2017;J. Am. Chem. Soc.,2018)的基礎(chǔ)上,報(bào)道了一種新的合成氨催化劑設(shè)計(jì)策略,即從鋇和鉻的氨基化合物出發(fā)制備鋇鉻四元氮?dú)浠锎呋瘎?,催化劑活性相為Ba5CrN4H。這獨(dú)特結(jié)構(gòu)可以賦予晶格氮及晶格氫(負(fù)氫)較高的反應(yīng)性,在溫和的條件下可以實(shí)現(xiàn)有效的氨合成催化。例如在573K和10bar條件下,該催化劑的氨合成速率為6.8mmolNH3cat-1h-1,與氮化鉻催化劑相比,提高了3個(gè)數(shù)量級以上,約為Cs-Ru/MgO催化劑的4倍。這項(xiàng)研究工作進(jìn)一步豐富了對“氫化物在合成氨催化中作用”的認(rèn)識,同時(shí)也為發(fā)展新型合成氨催化劑,特別是對于一般認(rèn)為活性較低的前過渡金屬催化劑的設(shè)計(jì)提供了新思路。
相關(guān)成果以“Barium Chromium Nitride-hydride for Ammonia Synthesis”為題,發(fā)表在Cell Press細(xì)胞出版社期刊《化學(xué)-催化》(Chem Catalysis)上,并被選為封面文章,該工作的第一作者是我所DNL1901博士研究生關(guān)業(yè)勤和博士后張煒進(jìn)。上述工作得到國家自然基金委、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等項(xiàng)目的支持。(文/圖 關(guān)業(yè)勤)
文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.checat.2021.08.006