IT之家 12 月 18 日消息，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所今日官宣，該所能源催化轉(zhuǎn)化全國重點實驗室能源與環(huán)境小分子催化研究中心（509 組群）鄧德會研究員、黃瑞研究員、于良研究員團(tuán)隊在合成氨領(lǐng)域取得新進(jìn)展。

團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出了“反應(yīng)耦合”與“雙位點協(xié)同”相結(jié)合的策略，在 100 至 320 °C 的溫和條件下，實現(xiàn)了以氮氣和水為原料直接合成氨，為發(fā)展短流程、低能耗的合成氨技術(shù)提供了新途徑。

氨（NH3）是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和化工生產(chǎn)的關(guān)鍵原料。傳統(tǒng) Haber-Bosch 合成氨工藝依賴高純氫氣作為原料，其制備過程能耗高，且后續(xù)純化步驟復(fù)雜。若能將豐富的水資源直接作為氫源，與大氣中的氮氣反應(yīng)，將有望從源頭縮短合成氨的流程，從而大幅降低能耗和成本。

然而，該反應(yīng)面臨兩大核心挑戰(zhàn)：

• 一是氮氣與水直接反應(yīng)在熱力學(xué)上極為不利（ΔG >> 0），需要輸入極高能量才能發(fā)生；
• 二是反應(yīng)體系中的水分子及含氧中間體會強(qiáng)烈競爭催化劑的活性位點，抑制氮氣的吸附與活化，導(dǎo)致反應(yīng)動力學(xué)過程受阻。

本工作針對上述挑戰(zhàn)，提出了系統(tǒng)性的解決方案。

• 在熱力學(xué)層面，團(tuán)隊創(chuàng)新性地引入一氧化碳（CO）調(diào)變熱力學(xué)，利用其與水中氧原子反應(yīng)的強(qiáng)放熱，將原本強(qiáng)吸熱的反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)有利反應(yīng)，從而繞開氮氣與水反應(yīng)的熱力學(xué)限制
• 在動力學(xué)層面，團(tuán)隊設(shè)計并構(gòu)建了 Au/α-MoC1-x 雙位點催化劑，其界面鉬（Mo）位點負(fù)責(zé)吸附活化氮氣（N2）和水（H2O）生成氨，界面金（Au）位點則吸附 CO 作為“氧受體”移除殘余氧，二者協(xié)同實現(xiàn)了氮氣活化、水分解、加氫與氧移除等多個步驟的相互拉動與催化循環(huán)。

該“反應(yīng)耦合”與“雙位點協(xié)同”相結(jié)合的策略使得原本不可行的反應(yīng)在 100 °C 的低溫下即可啟動，在 320 °C 時產(chǎn)氨速率達(dá) 1396 μmol g-1 h-1，其性能較相同條件下利用氫氣作為氫源的體系高出 2 倍以上。

該工作不僅證實了溫和反應(yīng)條件下氮氣和水直接合成氨的可行性，更在原理上為開發(fā)其他直接用水作為氫源的高效催化加氫過程提供了借鑒。

相關(guān)研究成果以“Direct Ammonia Synthesis from Nitrogen and Water at Mild Conditions”為題，于 12 月 2 日發(fā)表在《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）上，上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、大連化物所能源催化轉(zhuǎn)化全國重點實驗室、大連化物所創(chuàng)新基金等項目的資助。

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