填补氨合成中的空白 氮空位在催化剂中的作用

填补氨合成中的空白氮空位在催化剂中的作用

东京工业大学(Tokyo Tech)的科学家们探索了催化剂中的氮空位如何参与氨的合成，氨是化肥工业中的关键化学物质。他们基于氮空位形成能，为氮化物基催化剂的智能设计制定了一般规则，并开发了使用铈(一种丰富的过渡金属)合成氨的高性能催化剂。

氨(NH 3)是环境中天然存在的化学物质，但是它在各种制造过程中作为重要成分的广泛使用使其成为最生产的化学物质之一。它在肥料生产中至关重要，有助于提高各种农作物的产量。由于其高需求，每年生产超过1.5亿吨的NH 3。毫不奇怪，化学家一直在积极寻找合成NH 3的环保和节能方式。

生产NH 3的常规方法是直接使用氮气(N 2)和氢气(H 2)。但是，打破N原子之间的强键具有挑战性。在这里，催化剂(促进必要反应的材料)开始发挥作用。不幸的是，当今用于NH 3合成的性能最好的催化剂需要钌，这是一种稀有且昂贵的金属。为了寻找替代物，东京工业大学的科学家，包罗叶天南博士，北野正昭教授和细野秀夫教授，比来都在尝试确切地找出使N 2分解并产生NH 3的良好催化剂的原因。

Hosono及其同事在《自然》杂志上颁发的前一篇论文中提出了一种新的生产NH 3的策略，该策略涉及使用氮化镧(LaN)和镍(Ni)纳米粒子。这项研究的主要贡献是认识到氮空位在催化过程中起着重要作用，这使他们能够设计出性能与钌基催化剂相当的La基催化剂。在颁发于《美国化学学会杂志》上的最新研究中，研究小组进一步研究了他们的发现，并探讨了产生这些氮空位所需的能量是否最终决定了NH 3生产过程中催化剂的性能。

催化剂表面的氮空位可以轻松捕捉N 2并减弱其NN键，此后，在Ni纳米粒子上从H 2解离的原子跳到突出的N原子上，从而生成NH 3。别的，离解的H原子也可以直接使用来自催化剂晶格本身的N原子形成NH 3，从而在该过程中产生新的氮空位。在他们先前的Ni / LaN催化剂成功之后，在这项研究中，他们创建并比力了具有不同氮空位形成能(ENV)的相似催化剂。

在所测试的催化剂中，负载Ni的氮化铈(CeN)的ENV较低，因此表示出最佳的催化性能。其他测试材料的性能也与它们各自的ENV直接相关。Hosono教授对结果感到兴奋，他说：“我们现在可以提出设计用于NH 3合成的氮化物基催化剂的一般规则，其中ENV决定了其催化性能。” 最值得注意的是，Ni / CeN的催化活性与钌基催化剂的催化活性相当，这代表了由更丰富的材料组成的潜在的环保替代品。

此外，研究小组还指出，甚至不需要在CeN上添加镍。CeN中的氮空位也可以触发H 2分子的解离。Ye解释说：“事实证明，CeN本身和负载的Ni可以生产出最有效和不变的氨合成催化剂，这是我们研究的不同氮化物催化剂中的一种。” 该团队希望从这项研究中获得的见识也可以用于氨合成以外的其他应用。Kitano总结说：“了解氮化物的作用可能有助于设计和开发用于其他化学过程的高效过渡金属基催化剂。”