东京理工大学 镍颗粒离解H2，为来自CeN晶格本身的氮原子提供氢原子，或者从N2分子中突出氮原子，填充氮空位
在本研究中，发现没有镍的CeN也能离解H2分子
信用:2020美国化学学会 东京理工大学的科学家探索了催化剂中的氮空位如何参与氨的合成，氨是化肥工业中的一种关键化学品
基于氮空位形成能，他们设计了一个智能设计氮化物基催化剂的通用规则，并利用铈(一种丰富的过渡金属)创造了一种高性能氨合成催化剂
氨(NH3)是环境中自然产生的化学物质，但它作为一种重要成分在各种生产过程中的广泛使用使其成为产量最高的化学物质之一
它是化肥生产的关键，有助于提高各种作物的产量
由于需求量大，每年生产的NH3超过1.5亿吨
毫不奇怪，化学家们一直在积极寻找环保和节能的方法来合成NH3
生产NH3的传统方法是直接使用氮气(N2)和氢气(H2)气体
但是，打破氮原子之间的强键是具有挑战性的
这就是催化剂(促进必要反应的材料)发挥作用的地方
不幸的是，目前性能最好的NH3合成催化剂需要钌，一种稀有而昂贵的金属
为了寻找替代品，东京理工大学的科学家，包括Dr
叶天南、北野雅明教授和细野秀夫教授最近试图找出是什么造就了打破N2和产生NH3的良好催化剂
使用不同催化剂的NH3合成过程中每个步骤所需能量的对比图
镍/CeN对于新氮空位的形成具有最有利的能量分布，这导致更好的催化性能
信用:2020美国化学学会 在之前发表在《自然》杂志上的一篇论文中，细野和他的同事提出了一种生产NH3的新策略，包括使用氮化镧和镍纳米粒子
这项研究的主要贡献是认识到氮空位在催化过程中起着重要作用，这使他们能够设计出性能与钌基催化剂相当的镧基催化剂
在最近发表在《美国化学学会杂志》上的一项研究中，研究小组进一步研究了他们的发现，并探索了产生这些氮空位所需的能量是否最终决定了NH3生产过程中催化剂的性能
催化剂表面的氮空位很容易俘获N2并削弱其氮-氮键，之后在镍纳米颗粒上从H2离解的原子跳到突出的氮原子上产生NH3
此外，离解的氢原子也可以直接利用催化剂晶格本身的氮原子形成NH3，从而在该过程中产生新的氮空位
继他们以前的镍/镧催化剂的成功之后，在这项研究中，他们创造并比较了具有不同氮空位形成能的类似催化剂
在所测试的催化剂中，负载镍的氮化铈由于其相对较低的环境容量而表现出最好的催化性能
其他测试材料的性能也与其各自的环境直接相关
细野教授对这些结果感到兴奋，他说:“我们现在可以提出一个设计用于NH3合成的氮化物基催化剂的一般规则，其中它们的环境影响决定了它们的催化性能
“最值得注意的是，镍/氯化萘的催化活性与钌基催化剂相当，代表了由更丰富的材料组成的潜在的环境友好型替代物
此外，小组还注意到，在CeN上装载Ni甚至是不必要的；岑参的氮空位也触发了H2分子的解离
“在我们研究的各种氮化物催化剂中，CeN本身和负载镍的催化剂被证明能生产出最有效和最稳定的氨合成催化剂，”叶解释说
该团队希望从这项研究中获得的见解也可以用于氨合成以外的应用
北野的结论是，“了解氮化物的作用可能会有助于为其他化学过程设计和开发高效的过渡金属基催化剂
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