近日，大連化物所能源與環(huán)境小分子催化研究中心（509組群）鄧德會研究員、于良研究員團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所崔義研究員合作，在環(huán)境條件下熱催化合成氨領(lǐng)域取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)將金屬鋰（Li）原子沉積在金屬釕（Ru）表面，構(gòu)建了具有高活性金屬Li/Ru界面的新型催化劑，實(shí)現(xiàn)了在常溫常壓下熱催化氮?dú)猓∟2）與氫氣（H2）高效合成氨。該成果為建立溫和條件下低能耗合成氨技術(shù)提供了新思路。
氨是生產(chǎn)農(nóng)業(yè)肥料和工業(yè)化學(xué)品的重要原料，合成氨反應(yīng)被認(rèn)為是人類歷史上最重要的化學(xué)反應(yīng)之一。由于N2分子的N≡N三鍵（鍵能=945 kJ mol-1）非常穩(wěn)定，工業(yè)合成氨主要采用哈伯-博世法在高溫（350 °C 至 500 °C）、高壓（10 至 30 MPa）條件下將N2和H2轉(zhuǎn)化為氨，能耗高且碳排放量大。開發(fā)溫和條件下的熱催化N2和H2高效合成氨過程，對建立綠色合成氨技術(shù)具有重要意義，同時(shí)也極具挑戰(zhàn)。其中，高效合成氨催化劑的開發(fā)是關(guān)鍵。然而，受Sabatier原理的限制，提高催化位點(diǎn)的活性雖有利于促進(jìn)N2和H2在溫和條件下的吸附、活化和解離，但同時(shí)也會導(dǎo)致含氮物種與位點(diǎn)結(jié)合過強(qiáng)，從而抑制加氫步驟和氨的脫附。如何克服這一制約關(guān)系，是突破溫和條件下合成氨活性的關(guān)鍵。
鄧德會團(tuán)隊(duì)長期致力于能源與環(huán)境小分子的催化轉(zhuǎn)化研究，前期在N2、NO等小分子催化轉(zhuǎn)化方面取得了系列進(jìn)展（Nat. Synth.，2024；J. Am. Chem. Soc.，2025；Nat. Commun.，2025；Joule，2023；Chem Catal，2022；Natl. Sci. Rev.，2022；Angew. Chem. Int. Ed.，2020；J. Energy Chem.，2026）。針對上述挑戰(zhàn)，在本工作中團(tuán)隊(duì)首先利用模型催化體系將Li金屬原子沉積在金屬Ru表面，構(gòu)建了高活性的金屬Li/Ru界面，發(fā)現(xiàn)Li向吸附態(tài)N2反鍵軌道的電子填充促進(jìn)了N2分子在Li/Ru界面處的活化和解離，同時(shí)Li與NHx物種的鍵合作用減弱了Ru-N鍵，有利于NHx物種的加氫和氨的脫附，從而實(shí)現(xiàn)了常溫常壓下的熱催化N2與H2合成氨反應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)了以金屬Li為陽極、碳納米管負(fù)載Ru納米顆粒為陰極的可充電鋰電池體系，通過電池放電原位生成金屬Li/Ru界面，并引入N2和H2混合氣，在常溫常壓條件下的氨生成速率達(dá)2.43 mmol gRu-1 h-1。通過電池充放電循環(huán)原位再生Li/Ru界面，該合成氨過程可穩(wěn)定運(yùn)行超過400小時(shí)。該研究為建立溫和條件下的可持續(xù)合成氨過程提供了新途徑。
相關(guān)研究成果以“Ammonia Synthesis at Metallic Li/Ru Interfaces under Ambient Conditions”為題，發(fā)表在《化學(xué)》（Chem）上。上述工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、能源催化轉(zhuǎn)化全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、大連化物所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。
