此次研究融合了化學、物理學與材料科學中的許多經典原理、反應與理論，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，或將為設計性能優異的催化劑提供理論參考。
——王濤 西湖大學教授
氨作為一種無機化合物，在農業、工業等多個領域有著廣泛的應用。如何高效、環保地合成氨，助力相關行業的發展，是人們廣泛關注的問題。
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近日，西湖大學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，并提出了進一步優化合成氨活性的理論新策略，為未來設計性能優異的催化劑提供了重要參考。研究成果近日發表在《美國化學會志》期刊上。
立足改進金屬催化劑提升反應效率
“合成氨對于人類的生產生活意義重大。氨既是農業中生產化肥的重要原料，也是工業中制備精細化學品的關鍵氮源，更是一種理想的無碳燃料和氫氣載體。”此次研究的課題負責人、西湖大學教授王濤對記者表示。
目前，工業界常用的大規模合成氨的傳統方法是哈伯法，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行反應，以合成氨的方法。然而，目前工業界使用哈伯法進行大規模合成氨，每年不僅間接導致了約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，在催化劑領域，催化速度只能達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準，即催化劑與反應物種的作用力要恰到好處，催化劑與反應物種的作用力既不能太強，也不能太弱。具體來說，假如催化劑與反應物種的作用力太強，反應的產物將難以脫附；若催化劑與反應物種的作用力太弱，反應物則將無法被催化劑有效活化。催化劑與反應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，研究團隊發現，原本具有磁性的金屬在合金化后，出現了磁性消失的現象。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—關聯作用，體現為體系電子結構的變化。由于催化劑的電子結構決定了催化劑與反應物的吸附強度，磁性變化可以在一定程度上影響整體反應的活性。”王濤表示。
研究團隊發現，在保持反應條件不變的前提下，使用順磁性鈷和鎳作為催化劑的氨合成，反應效率比鐵磁性狀態下要高出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倍的基礎上，使反應活性提升10倍，反應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、物理學與材料科學中許多經典原理、反應與理論，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，或將為設計性能優異的催化劑提供理論參考。”王濤說。
標簽： 工業合成氨
