常溫常壓高效電化學合成氨催化體系的設計新策略

劉忠范

北京大學化學與分子工程學院，北京100871

LIU Zhongfan

College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871, P. R. China.

Bi-K+催化體系實現高效電化學合成氨：理論模擬，反應模型與催化性能示意圖。

氨是一種重要的生產原料。除傳統工農業用途之外，氨還具有含氫量高(質量比達17.6%)、易液化、易儲運等優點。若能實現綠色高效合成氨，勢必能為其作為清潔儲氫、儲能材料等重要應用提供基礎。目前，工業上廣泛采用的Haber-Bosch方法需要在高溫高壓(300–500 °C，100–200 atm (1 atm = 100 kPa))等苛刻條件下促進氮分子的活化。其能量和氫氣都來自于化石燃料(如甲烷等)，因而消耗大量的化石能源，并造成大量的二氧化碳排放。因此，尋找合適的綠色替代方案，在溫和條件下實現高效、低能耗、低排放合成氨，成為亟待解決的科學挑戰。

北京理工大學化學與化工學院，教育部原子分子簇科學重點實驗室殷安翔特別研究員課題組與北京大學化學與分子工程學院、北京分子科學國家研究中心張亞文教授、嚴純華教授課題組，上海同步輻射光源司銳研究員課題組合作，開創性地利用非貴金屬催化劑(鉍納米催化劑)與堿金屬助催化劑(鉀離子等)之間的協同作用，有效增強氮分子在催化劑表面的吸附與活化，同時充分抑制析氫副反應。該策略成功突破已有極限，大幅提高電催化合成氨的選擇性與反應速率。在常溫常壓(25 °C，1 atm)下，以水和氮氣為原料，即可實現氨的高選擇性(法拉第效率高達66%)和高速率(3.4 g?g–1?h–1)合成。值得一提的是，該催化體系還可推廣到其它催化劑與反應體系中。研究證明，堿金屬離子還可提升其它催化劑(如Pt、Au等)的電催化合成氨性能。此外，該催化體系對具有重要能源與環境意義的二氧化碳電催化還原反應同樣具有顯著的提升作用，表現出良好的普適性。

該研究工作近期已在Nature Catalysis上發表3，其結果為溫和條件下利用可持續能源高效合成氨提供了新的思路與途徑。