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新型可负担的催化剂依靠氮的空位产生氨

日期: 2022-09-05
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来源:新广网


氨气(NH3)是全球范围内最常用的化学药品之一,因为它在广泛的工业生产过程中用作重要成分。例如,它在化肥的生产中起着关键作用,每年施肥...

氨气(NH3)是全球范围内最常用的化学药品之一,因为它在广泛的工业生产过程中用作重要成分。例如,它在化肥的生产中起着关键作用,每年施肥超过1.5亿吨,以增加各种作物的产量。氨是许多活生物体自然产生的,但是使用N(N2)和H(H2)气体人工合成氨具有挑战性,因为N原子之间的强键很难断裂。

自20世纪初以来,一直存在一种以工业规模生产NH3的方法,即哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺,但如今,性能最佳的方法包括使用钌(一种昂贵且稀有的金属)作为催化剂来触发氧化氢。必要的反应。最近,东京工业大学(东京工业大学)的Hideo Hosono教授及其同事制定了一种新战略,该战略利用镧(La)和镍(Ni)结合使用氨(La)来生产NH3。

在发表于《自然》上的论文中,他们解释了如何从先前报道的分子式为Co3Mo3N的NH3生产催化剂中汲取灵感,该催化剂具有氮空位,即可以预期存在氮原子的位置,但实际上是空的。观察到这些空位使N2分子的分裂更容易,这使Hosono的研究小组为开发更容易获得和有效的NH3合成催化剂开辟了新的探索方向。他解释说:“氮空位在Co3Mo3中的关键作用N启发我们考虑可以轻易产生空位的其他含氮材料,作为新型镍基催化剂的基础。”

他们开发的催化剂由负载有Ni纳米粒子的LaN晶体组成。Ni容易将H2解离为H原子。因此,用H催化剂的预处理2容易产生H原子,然后与N反应的原子在晶体结构以形成NH3和对LAN支持创建N空位。然后,这些空位中的每一个都会从输入的氮气中捕获来自N2分子的N原子,从而使该分子的NN键减弱。另一个解离的H原子破坏了弱化的NN键,产生了更多的NH3,而后面留下了一个N原子以填补原来的空位。这些循环不断重复,从而不断产生氮空位并维持合成过程。

事实证明,这种“双重活性中心”催化剂的概念非常有前途。拟议的催化剂的性能远远超过了传统的钴和镍基催化剂,甚至可以与钌基催化剂媲美:它不仅在中等温度和压力下始终能产生高产率的氨,而且即使在高温下仍能保持其结构连续反应100小时,显示其高稳定性。

Hosono说:“我们预计我们的工作将促进对使用更多元素的催化剂设计的进一步探索。特别是,我们的结果说明了在反应循环中使用空位的潜力,并指出了氨催化剂的新设计理念合成。”

新策略可以使氨的生产更简单,更实惠,从而简化许多重要的工业流程。



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