劉忠范

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)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(xiàn)高效電化學(xué)合成氨：理論模擬，反應(yīng)模型與催化性能示意圖。

氨是一種重要的生產(chǎn)原料。除傳統(tǒng)工農(nóng)業(yè)用途之外，氨還具有含氫量高(質(zhì)量比達17.6%)、易液化、易儲運等優(yōu)點。若能實現(xiàn)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(yīng)用提供基礎(chǔ)。目前，工業(yè)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(xiàn)高效、低能耗、低排放合成氨，成為亟待解決的科學(xué)挑戰(zhàn)。

北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，教育部原子分子簇科學(xué)重點實驗室殷安翔特別研究員課題組與北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、北京分子科學(xué)國家研究中心張亞文教授、嚴純?nèi)A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(chuàng)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(xié)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(yīng)。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(yīng)速率。在常溫常壓(25 °C，1 atm)下，以水和氮氣為原料，即可實現(xiàn)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(yīng)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(huán)境意義的二氧化碳電催化還原反應(yīng)同樣具有顯著的提升作用，表現(xiàn)出良好的普適性。

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