我国学者与海外合作者在氢化物催化合成氨研究方面取得进展

　　在国家自然科学基金项目（批准号：21988101、21633011、21922205）等资助下，中国科学院大连化学物理研究所陈萍团队与丹麦技术大学Vegge教授团队合作，通过设计碱（土）金属钌基三元配位氢化物合成氨催化剂新体系，提出了构建“富电子、多组分活性位”的催化剂设计策略。相关成果以“三元钌配位氢化物缔合加氢合成氨（Ternary Ruthenium Complex Hydrides for Ammonia Synthesis via the Associative Mechanism）”为题，于2021年11月18日在线发表在《自然-催化》（Nature Catalysis）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-021-00698-8。

　　氨不仅是至关重要的基础化工原料，近期亦被认为是极具前景的能源载体。现有的Haber-Bosch合成氨工业强烈依赖化石能源，是一高能耗、高碳排放过程。开发可再生能源驱动的、温和条件下的“绿色合成氨”是实现人类社会可持续发展的前沿技术。近年来，电化学、光化学等合成氨新方法以及氢化物、电子化物等新材料不断涌现，积极推动了合成氨研究的深入与拓展。

　　在前期研究基础上，研究团队构建了碱（土）金属钌基三元氢化物（Li₄RuH₆和Ba₂RuH₆）催化剂，在低温（<300 ºC）和低压（< 10 bar）下表现出优异的催化合成氨性能。并且在反应温度低至100 ºC时，Ba₂RuH₆催化剂仍有可观测的催化活性。结合理论计算，发现该类三元氢化物催化剂遵循氮气缔合解离式机制，其所有组分均参与了合成氨反应，即富电子的[RuH₆]是N₂活化位点，H‾是电子和质子传递载体，Li⁺或Ba²⁺通过稳定N_xH_y物种降低了反应能垒（图1），通过多组分协同催化使得N₂和H₂以能量较优的反应路径转化为NH₃。

　　该类三元氢化物催化剂作为一类独特的化合物催化剂，其在组成、结构、反应动力学性质、活性中心作用机制等方面明显不同于常规合成氨催化剂。该研究丰富了合成氨催化剂体系，为进一步探寻低温低压下高效合成氨催化剂提供了新思路。

图1 钌基三元氢化物的结构、催化活性及其合成氨反应机制