中日合作开发高效低温氨合成催化剂

2月17日，据Nature Chemistry期刊网站消息，来自日本东京科学研究所、日本国立材料科学研究所、日本东北大学先进材料研究所和南京工业大学的研究团队合作开发出一种新型非过渡金属氨合成催化剂——钡硅酸盐氮氢化物（Ba₃SiO_5-xN_yH_z），它能够通过阴离子空位介导机制在低温下实现氮气的活化和转化，打破了传统氨合成技术的高温条件限制，有望大幅降低氨合成的成本。相关研究成果以“Anion vacancies activate N₂ to ammonia on Ba-Si orthosilicate oxynitride-hydride”为题发表在《Nature Chemistry》期刊上。

氨合成是工业化学领域中最为关键的反应之一，广泛应用于肥料生产、制药等行业。传统的工业氨合成主要依赖于哈伯–博施法（Haber-Bosch process），其使用的过渡金属催化剂需要在高温高压（400-500℃, 10-30 MPa）条件下催化反应，不仅能耗巨大，还会产生大量的温室气体。因此，研究温和条件下的氨合成催化剂极具工业应用价值。近日，中日研究团队通过低温固态反应合成出一种新型非过渡金属催化剂Ba₃SiO_5-xN_yH_z，成功实现了低温条件下氨的高效合成。Ba₃SiO_5-xN_yH_z具有高密度的电子空位，这些空位能够捕获氮气分子并直接将其活化为氨。实验结果显示，该催化剂在300℃下的氨合成速率可达40.1 mmol/g/h，显著优于传统催化剂（钌/氧化镁催化剂在300℃下的氨合成速率为0.01 mmol/g/h）。该研究不仅提出了一种促进氨合成技术绿色化发展的新型非过渡金属催化剂，而且通过详细的实验和理论计算揭示了其独特的催化机制，对设计和开发新型高效催化剂具有重要的指导意义。