記者1日從中科院獲悉,中科院大連化學物理研究所潔凈能源國家實驗室(籌)陳萍研究員、郭建平博士在催化合成氨研究方面取得重要進展。他們創(chuàng)新性地提出了“雙活性中心”催化劑設計策略,并由此開發(fā)出了一系列過渡金屬與氫化鋰組成的復合催化劑體系,實現(xiàn)了氨的低溫催化合成。相關研究成果于近期發(fā)表在《自然—化學》期刊上。
氨是最基本的化工原料之一,也是最主要的肥料來源。從熱力學角度看,由氮氣和氫氣反應生成氨在常溫常壓條件下就可以進行。但是因為氮氣分子非常穩(wěn)定,難以活化,因此工業(yè)合成氨過程須在高溫高壓(350—500℃,50—200個大氣壓)條件下才能實現(xiàn)。如此苛刻的條件使得合成氨工業(yè)每年需要消耗全球能源供應總量的1%—2%。而我國又是合成氨生產(chǎn)第一大國,合成氨年產(chǎn)量接近世界合成氨總量的30%。所以針對我國國情,開發(fā)低溫、低壓、高效的合成氨催化劑具有重要的戰(zhàn)略意義。
陳萍研究員帶領的團隊創(chuàng)造性地將氫化鋰作為第二組分引入到催化劑中,構(gòu)筑了“過渡金屬—氫化鋰”這一雙活性中心復合催化劑體系,并提出了“活化氮轉(zhuǎn)移”的反應機理,使得氮氣和氫氣的活化及中間物種的吸附發(fā)生在不同的活性中心上,從而打破了單一過渡金屬上的反應能壘與吸附能之間的限制關系,使得氨的低溫低壓合成成為可能。實驗結(jié)果顯示,氫化鋰的加入對第三周期過渡金屬的活性均有顯著的促進作用,特別是Fe-LiH和Co-LiH復合催化劑在150℃即表現(xiàn)出了可觀量的氨合成催化活性,顯示出了“雙活性中心”策略的有效性和普適性。