研究人员揭示可持续氨生产的关键机制

中佛罗里达大学的一个研究小组与弗吉尼亚理工大学的合作者发表了关于氨电化学合成的重要发现，推进了可持续肥料研究，从而有助于全球食品安全工作。

氨是氮和氢的化合物，是许多食品生产肥料中必不可少的成分。然而，其主要生产方法哈伯-博世法是能源和燃料密集型的，消耗了世界天然气产量的3%至5%，占全球碳排放量的1%以上。

使用金属钌作为催化剂，研究人员确定了通过更可持续的生产方法 - 电化学生产氨的最有效方法。研究人员说，当使用太阳能或风能等可再生能源的电力为电化学合成提供动力时，这种生产方法可以更具可持续性。

研究结果最近发表在ACS Energy Letters上。

研究人员说，虽然有许多关于电化学氨生产的研究工作，但潜在的机制尚未得到更好的理解。然而，这项新研究有助于提供更清晰的反应机制，该研究的共同作者，UCF物理系教授Xiaofeng Feng说。

“这项深入研究的结果可以为研究人员如何设计更有效的催化剂以实现可持续氨生产提供重要指导，”冯说。

他们是如何完成工作的

钌与反应中间体的最佳结合强度使其成为氮还原反应中最活跃的催化剂之一，氮还原反应通过将氮与水分子中的氢结合来产生氨。

使用原子层沉积，研究人员能够在原子尺度上保持对合成纳米材料的精确控制，从而可以测试2至8纳米的钌纳米颗粒。

研究人员发现，在将钌原子分层成催化结构时，钌表面原子的特殊排列 - 称为D5步骤位点—是电化学氮还原反应最活跃的位点。

与其他网站不同，D5阶梯部位具有“完美平衡”，有利于*N的形成2H中间体，不会被*NH毒害(无法让新分子吸附和反应)2研究人员说，中级。

因此，发现尺寸约为4纳米的钌纳米颗粒对氮还原反应具有最佳的催化性能。活性在4纳米处达到峰值，然后随着粒径的加倍而下降五倍，证明了钌粒径对催化作用的关键作用。

研究人员先前提高氨电化学生产效率的工作通过提供机理理解和研究方法来帮助当前的研究。

合作研究

The new research is a collaboration among three research teams.

冯和他的学生表征了钌样品，并将它们作为氨电化学生产的催化剂进行了研究。该研究的共同作者，UCF材料科学与工程系教授Parag Banerjee和他的学生专注于Banerjee实验室中钌金属纳米颗粒的精确合成。

此外，弗吉尼亚理工大学教授Hongliang Xin和他的学生进行了计算研究，以模拟和识别负责最高催化性能的原子结构。

Feng说，研究人员计划进一步合作，利用原子层沉积开发更复杂，更高效的材料，以实现可持续的氨生产。他们还将在先进的电解槽装置中实施催化剂材料，以提高电动氨生产的良率和效率。

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