西湖大学王涛今日JACS:合成氨,实现Sabatier最佳值

发布网友发布时间：2024-10-23 11:12

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热心网友时间：2024-11-02 23:50

Sabatier原则在多相催化领域作为理想催化剂的标准，接近其最佳值是催化剂设计的主要目标。Haber-Bosch（H-B）工艺将氮气和氢气转化为氨，是人类的圣杯反应，氨合成活性与金属间氮结合能之间的火山图成功指导新型催化剂设计。然而，达到火山图的顶端极具挑战性。

本文以H-B合成氨过程为模型，通过二阶铁磁-顺磁相变，使铁磁催化剂达到Sabatier火山的最佳值，并揭示了Fe、Co和Ni金属上铁磁-顺磁相变的物理图像。顺磁性Co和Ni金属被证明比其铁磁性对应物更具有活性，并接近Sabatier合成氨火山图的最顶点。该研究为优化铁磁材料的顺磁相在多相催化中的性能开辟了一条新途径。

该研究由许高眸、蔡城作为第一作者，王涛研究员作为通讯作者，所属单位为西湖大学。论文发表在《美国化学会志》上，DOI为10.1021/jacs.2c10603。

亮点解析

在材料磁性与居里相变中，铁磁有序源自长程相互作用，交换能量高度依赖系统结构。在纳米颗粒中，随着尺寸减小，居里相变的临界点减小，内部有序性减弱。铁磁纳米颗粒在低于体相Tc温度下表现出顺磁性行为，而顺磁性Ni具有较高的d带中心，显示更强的氮结合强度和更高的氨合成速率。

顺磁性Fe、Co和Ni催化剂用于合成氨时，结合氮结合能和N2解离过渡态能之间的线性比例关系，建立不同过渡金属催化H-B过程的Sabatier原理。具有中等氮结合能和较小过渡态能的催化剂表现出最佳的Sabatier合成氨性能。顺磁性Fe、Co和Ni金属的过渡态能和氮结合能均比其铁磁性相更低，但仍遵循相同的线性标度关系。

通过居里相变显著提高Ni和Co催化活性，研究发现顺磁性Co在温和条件下具有更高的氨合成活性，使TOF增加10倍，并将催化剂成本降低400倍。顺磁性Ni的活性比铁磁性高出3至4个数量级，在相同反应条件下，可在低温下实现相同的反应速率。因此，*Ni和Co的磁性态是实现温和条件下合成氨工艺的一种极具前景的策略。