在低温下使用廉价钴催化剂实现创纪录的氨产量

氨(新罕布什尔州3)是世界上生产最广泛的化学品之一，187年的产量超过2020.85亿吨。其中约<>%用于生产氮肥，其余用于精炼石油，制造各种其他化学品以及制造尼龙等合成纤维。然而，所有这些都是以高昂的能源成本为代价的。

目前，大部分氨是使用传统的哈伯-博世工艺生产的，该工艺需要在高温(400-450°C)和压力(200个大气压)下结合氮气和氢气。因此，科学家们正在积极寻找能够降低氨生产能源需求并使合成更具可持续性的催化剂。

钌(Ru)是一种贵金属，由于其在低温下吸收氮气的非凡能力，一直是这方面的主要候选者。然而，其高成本阻碍了其在大规模氨合成中的广泛采用。虽然钴(Co)被认为是更具成本效益的替代品，但在低温下实现与Ru相同的催化活性一直很困难。

为了增强Co的催化活性，包括东京工业大学(Tokyo Tech)的Masaaki Kitano教授在内的一组研究人员在最近的一项研究中开发了Co纳米颗粒的支持材料。该材料是一种含钡的氧氢化物，称为BaAl。2O4-xHy，在低温下将Co的催化活性提高到与Ru催化剂相当的水平，并保护H离子和电子免受空气和水分的影响。这一突破发表在《美国化学学会杂志》上。-

“我们试图开发一种含钡的氢化物，Ba2一个L2O4-xHy获得高效且化学耐久的催化剂，并开启设计新型无机电化物材料并触发其在其他领域的应用的新方法，“北野教授解释道。

团队是如何实现这一壮举的?简而言之，BaAl2O4-xHy具有独特的结构，可促进氮在Co上的解离。该材料表现出填充的三叠石结构，其中AlO是4四面体连接形成三维(3D)网络结构，在钡离子之间形成笼状空隙。这些间隙位点就像容纳负电荷的口袋，使材料能够将电子捐赠给Co并促进氮分子分解成氮吸附原子。

为了提高材料的供电子能力，研究人员通过替换O2-晶格离子与H离子(O-2-(框架)+ 1/2 H2= H (框架) + 1/2 O-2+ e(笼子))。H离子的引入不仅提高了BaAl的供电子能力--2O4但也促进了所需的氮还原为氨。

通过促进N的解理2并随后将其还原为氨，Co/Ba2铝2O4-xHy催化剂每小时每克钴可产生超过500 mmol的氨，这是Co基催化剂的记录值。此外，与传统的Co催化剂相比，传统的Co催化剂通常具有超过100 kJ / mole的氨合成活化能，所提出的催化剂表现出仅48.9 kJ / mole的活化能。

此外，填充的tridymite结构耐用且可重复使用，具有AlO4基于四面体框架，保护晶格H-离子和电子免受氧化。最后，在暴露了Co / BaAl之后2O4-xHy对于空气，研究人员可以通过简单地将其加热在氢气中来恢复高达95%的原始活性。

凭借其良好的化学稳定性、增强的催化活性和高可重复使用性，Co/BaAl具有2O4-xHy 催化剂在低温下合成氨显示出巨大的前景。“这种新型无机电化物为开发用于绿色氨合成的高效稳定的无钌催化剂提供了一种新方法，”北野教授总结道。

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