富電子、多組分協(xié)同催化

近日，我所復合氫化物材料化學研究組(DNL1901)陳萍研究員、郭建平研究員團隊與丹麥技術大學Tejs Vegge教授團隊、我所李海洋研究員團隊、我所江凌研究員團隊合作，在催化合成氨研究方面取得重要進展。團隊首次將配位氫化物材料應用于催化合成氨反應中，開發(fā)了一類新型堿(土)金屬釕基三元氫化物催化劑，實現(xiàn)了溫和條件下氨的催化合成。

氨是一種重要的化工原料和極具前景的能源載體，實現(xiàn)在溫和條件下氨的高效合成具有重要的科學意義和實用價值。以化石能源驅動的現(xiàn)有合成氨工業(yè)是一種高能耗、高碳排放的過程。因此，在以可再生能源驅動的“綠色”合成氨過程中，低溫低壓高效合成氨催化劑的開發(fā)是核心技術，也是科研工作者們長期以來不懈追求的目標。

本工作中，團隊開發(fā)的堿(土)金屬釕基三元氫化物(Li4RuH6和Ba2RuH6)催化劑材料可實現(xiàn)溫和條件下氨的催化合成。該催化劑材料是一種離子化合物，由Ru的配位陰離子[RuH6]4-和堿(土)金屬陽離子Li+或Ba2+構成，其在低溫(<573K)、低壓(<10bar)下具有優(yōu)異的催化合成氨性能。當反應溫度低至100oC時，Ba2RuH6催化劑仍有可檢測的催化活性。研究發(fā)現(xiàn)，該類三元氫化物催化劑材料的合成氨反應遵循氫助解離式機制，其所有組分均參與了合成氨反應，即富電子的[RuH6]4-是N2活化位點，H-是電子和質子傳遞載體，Li+或Ba2+通過穩(wěn)定NxHy物種降低反應能壘，通過多組分協(xié)同催化，使N2和H2以能量較優(yōu)的反應路徑轉化為NH3。

該類三元氫化物催化劑作為一類獨特的化合物催化劑，其在組成、結構、反應動力學性質、活性中心作用機制等方面顯著不同于常規(guī)多相合成氨催化劑，而與均相合成氨催化劑存在一定關聯(lián)，為多相固氮和均相固氮研究架起了橋梁。更為重要的是，該項研究豐富了合成氨催化劑體系，并提出了構建“富電子、多組分活性位點”這一合成氨催化劑設計策略，為進一步探尋低溫低壓高效合成氨催化劑提供了新思路。

陳萍團隊在氫化物材料研究方面已有二十多年的積累。此項研究是繼氫化物應用于儲氫(Nature，2002)、催化氨合成(Nat. Chem.，2017)、化學鏈氨合成(Nat. Energy，2018)之后的又一重要進展。

相關成果以“Ternary Ruthenium Complex Hydrides for Ammonia Synthesis via the Associative Mechanism”為題，于近日發(fā)表在《自然-催化》(Nature Catalysis)上。該工作的第一作者是我所DNL1901博士研究生王倩茹和丹麥技術大學Jaysree Pan博士。上述工作得到國家自然科學基金委基礎科學中心項目“空氣主份轉化化學”、中國科學院青年創(chuàng)新促進會等項目的支持。