用于氨合成的水平二氮气的精确空位匹配

《Journal of the American Chemical Society》：Precise Vacancy Fitting of Horizontal Dinitrogen for Ammonia Synthesis

高效氨合成在温和条件下的挑战，化学 looping 法（CLAS）通过水平N2分子嵌入BaC2催化剂表面二阴离子空位，促进N2活化，Ni纳米颗粒活化H2，实现双端氢化，降低活化能，提升产率并保持20小时稳定性，产率达现有最佳催化剂的10倍。

　　

在温和条件下高效合成氨仍然是现代化学领域的一个重大挑战。化学循环氨合成（CLAS）为在接近常压的条件下生产氨提供了一种可持续的替代方法。在这项研究中，我们引入了一种“水平氮气（N₂）”机制，其中氮气分子被水平地嵌入催化剂的表面晶格中，从而促进了氮气的有效活化及随后的氨（NH₃）生成。以碳化钡（BaC₂）作为模型材料，我们发现碳化钡表面的二阴离子空位为氮气的活化提供了最佳的空间结构，而负载的镍（Ni）纳米颗粒则负责氢气（H₂）的活化，使得氮气能够在温和条件下从两端同时发生氢化反应生成氨。共振非弹性X射线散射（RIXS）分析与计算结果表明，CLAS反应的速率决定步骤是*NNNH*的氢化反应，这显著降低了氮气分解所需的活化能。Ni/BaC₂催化剂的氨生成速率比传统CLAS催化剂高一个数量级，并且在100°C、常压的温和条件下甚至超过了最先进的3d过渡金属催化剂的性能。与传统CLAS催化剂不同，Ni/BaC₂中的二阴离子空位表现出优异的催化稳定性，在20小时内活性保持稳定且没有明显下降。这些发现强调了表面空位在CLAS反应循环中的潜在作用，并为开发基于地球丰富资源的氨合成催化剂提供了新的设计思路。