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新型催化剂助力高效绿色制备氨气

文章来源：科技日报更新时间：2021-12-22 15:59:33

氨是世界上最重要的基础化学品之一，在现代工农业生产中具有广泛用途。但传统的合成氨工艺(Haber-Bosch工艺)需要在高温高压条件下进行反应，能耗高且造成大量温室气体排放。目前，能够在常温常压下实现氨合成的电催化合成氨技术，被公认为是一种绿色节能高效碳减排技术。其中，设计制备高活性和稳定性的电催化剂是该技术实用化的关键。近日，南京工业大学吴宇平教授课题组联合武汉理工大学的赵焱教授课题组证明了新型单原子催化剂“钼单原子负载的二维磷化硼催化剂”(Mo/BP)是一种很有前途的电化学合成氨催化剂，有望大幅提高制氨的产率，减少物料能量的浪费。该成果日前发表于《能源与环境材料》上。

新型Mo/BP电催化剂用于氮气还原合成氨的示意图，南工大供图

　　目前，在全球低碳经济和我国可持续发展战略理念的影响下，开发新型绿色合成氨技术替代传统的Haber-Bosch工艺是当今的研究热点之一。

　　其中，电催化还原氮气合成氨技术具有独特的优势，例如可以使用大气中的氮气作为氮源、水作为氢源，反应原料来源广泛，反应条件温和，采用可再生电能驱动，有望实现分布式绿色制氨等，被公认为是一种能够在常温常压下实现氨合成的绿色节能高效碳减排技术。

　　“电催化合成氨技术实用化的关键，是要设计制备出高活性和高稳定性的电催化剂。为了筛选出这样的催化剂，我们用缺陷二维磷化硼(BP)作为载体材料，然后将12种过渡金属单原子分别负载于BP上作为新型单原子合成氨催化剂。”吴宇平教授介绍，团队采用了高效的密度泛函理论研究方法，系统研究了它们各自的催化性能。通过研究筛选发现，钼单原子负载的二维磷化硼催化剂材料，不仅具有高效的氮气活化还原合成氨能力，同时在抑制析氢竞争反应等方面性能同样突出。

新型Mo/BP电催化剂用于氮气还原合成氨的多种路劲反应能量变化图，南工大供图

　　“合成氨本质上是一种还原反应。氮气分子在常温常压下具有一定的惰性，钼单原子负载的二维磷化硼催化剂材料可以使其活化，从而促进还原反应过程;并且这种催化剂还能减少反应过程中氢气的释放，抑制析氢竞争反应。”论文第一作者、南京工业大学博士研究生刘再春解释，相关研究成果成功从理论上证明了新催化剂对于合成氨反应的进度推进效果，将直接对实验运用产生重要影响，对于制氨与单原子电催化剂在发展高效碳减排合成氨技术中的应用具有重要意义。

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