近日，南京工業大學吳宇平教授課題組聯合武漢理工大學的趙焱教授課題組證明了新型單原子催化劑(Mo/BP)是一種很有前途的電化學合成氨催化劑，有望大幅提高制氨的產率，減少物料能量的浪費。該成果日前發表于《Energy & Environmental Materials》(能源與環境材料)上。
氨是世界上最重要的基礎化學品之一，在現代工農業生產中具有廣泛用途。但傳統的合成氨工藝需要在高溫高壓條件下進行反應，能耗高且造成大量溫室氣體排放。目前，能夠在溫和條件下(常溫常壓)實現氨合成的電催化合成氨技術，被公認為是一種綠色節能高效碳減排技術。其中，設計制備高活性和穩定性的電催化劑是該技術實用化的關鍵。
目前，在全球低碳經濟和我國可持續發展戰略理念的影響下，開發新型綠色合成氨技術替代傳統的Haber-Bosch工藝是當今的研究熱點之一。其中，電催化還原氮氣合成氨技術具有獨特的優勢受到廣泛關注：反應原料來源廣泛，使用大氣中的N2作為氮源、水作為氫源;反應條件溫和(常溫常壓);采用可再生電能驅動;有望實現分布式綠色制氨等，這被公認為是一種能夠在溫和條件下(常溫常壓)實現氨合成的綠色節能高效碳減排技術。
“電催化合成氨技術實用化的關鍵，是要設計制備出高活性和高穩定性的電催化劑。為了篩選出這樣的催化劑，我們用缺陷二維磷化硼(BP)作為載體材料，然后將12種過渡金屬單原子(Pd, Ag, Rh, Cu, Ti, Mo, Mn, Zn, Fe, Co, Ru 和 Pt)分別負載于BP上作為新型單原子合成氨催化劑。我們團隊采用了高效的密度泛函理論研究方法，系統研究了它們各自的催化性能。” 吳宇平教授介紹，通過研究篩選發現，Mo單原子負載的BP催化劑材料，不僅具有高效的氮氣活化還原合成氨能力，同時在抑制析氫競爭反應等方面性能同樣突出。
“合成氨本質上是一種還原反應。氮氣分子在常溫常壓下具有一定的惰性，Mo單原子負載的BP催化劑材料可以使其活化，從而促進還原反應過程;并且這種催化劑還能減少反應過程中氫氣的釋放，抑制析氫競爭反應。” 論文第一作者、南京工業大學博士研究生劉再春解釋。
相關研究成果成功從理論上證明了新催化劑(Mo/BP)對于合成氨反應的進度推進效果，將直接對實驗運用產生重要影響，對于制氨與單原子電催化劑在發展高效碳減排合成氨技術中的應用具有重要意義。
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