中国科学出版社 通过在催化剂中引入钴单簇来改变氮还原反应的速率决定步骤的示意图
青色、红色、紫色和灰色球体分别代表碳、氮、钴和氢原子
信用:中国科学出版社 氮向氨的电化学转化是传统哈伯-博世工艺在环境条件下实现固氮的最有前途的替代方法
在该策略中，氮的高能三键的激活是最重要的瓶颈，并且通常被认为是氨合成的速率决定步骤
中国的科学家已经成功地改变了电化学氮还原的速率决定步骤，并为未来的催化剂设计提供了指导
氨是制造化肥和大多数含氮有机化学品的通用前体
迄今为止，氨的工业生产主要通过哈伯-博世工艺进行，在该工艺中，使用化学还原剂氢来固定氮
然而，尽管经过100多年的发展，这一过程仍然需要苛刻的条件，包括高温(673-873 K)和压力(20-40兆帕)，占1
全球能源消耗的5%
在这种情况下，生产氨的可持续和低能耗技术至关重要
在环境条件下实现N2固定的另一种方法是电催化N2还原反应(NRR)，使用来自水的质子作为氢源，并由可再生电源供电
然而，在实践中，仍然难以实现期望的NRR性能，这导致了巨大的能量损失
关键的挑战在于惰性氮-氮三键的活化，这通常被认为是速率决定步骤
在这种情况下，能够改变电化学氨合成速率决定步骤的高活性催化剂代表了氨合成的理想候选物
在北京《国家科学评论》上发表的一篇新研究文章中，中国苏州苏州大学的科学家们展示了在克服环境氨合成瓶颈方面的最新进展
作者刘思思、、、季、、申、和通过在氮掺杂碳中引入钴单簇作为给电子促进剂，成功地改变了常压氨合成的速率决定步骤，获得了76
2μg·h-1mg-1，最高法拉第效率为52
9%
采用这种策略，优越的性能将大大降低系统的能量损耗，降低基本成本，从而有助于未来的实际应用
这些科学家同样概述了用于可持续NRR系统的未来电催化剂的潜在发展方向
“当化学吸附在钴簇上时，N2被自发激活，并经历了氮-氮三键的显著减弱，这是由于金属向N2反键轨道的强电子返给，N2离解成为钴单簇上的放热过程，”教授说
陶谦
因此，决定速率的步骤已经成功地从通常的N2活化转移到随后的氢化，只有0的小的能垒
85 eV
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