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科技日報記者 劉園園
記者12月27日從西湖大學(xué)獲悉，該校人工光合作用與太陽能燃料中心在合成氨催化機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展。
在這項研究中，科研人員通過理論計算揭示了鐵磁-順磁相變對鐵磁金屬催化性能的影響機(jī)制，提出了進(jìn)一步優(yōu)化合成氨活性的理論新策略，為未來設(shè)計性能優(yōu)異的催化劑提供了重要參考。研究成果日前發(fā)表在《美國化學(xué)會志》期刊上。
“合成氨對于人類生產(chǎn)生活意義重大，氨是農(nóng)業(yè)中生產(chǎn)化肥的重要原料，也是工業(yè)中制備精細(xì)化學(xué)品的關(guān)鍵氮源，更是可持續(xù)能源框架中的理想無碳燃料和氫氣載體。”課題負(fù)責(zé)人王濤教授說，然而工業(yè)界常用的大規(guī)模合成氨的傳統(tǒng)技術(shù)——哈伯法，每年會間接導(dǎo)致約3億噸二氧化碳排放，同時消耗全球約2%的能源，能耗和運營成本極高。
若想降低合成氨的碳排放和成本，途徑之一是提高反應(yīng)效率，王濤團(tuán)隊將目光投向改進(jìn)金屬催化劑本身。
王濤介紹，在催化領(lǐng)域，薩巴蒂爾規(guī)則定義了理想催化劑的黃金標(biāo)準(zhǔn)，即催化劑-反應(yīng)物種的作用力要恰到好處：若作用太強(qiáng)，產(chǎn)物將難以脫附；若作用太弱，反應(yīng)物則無法被催化劑有效活化。
在一次計算中，研究人員意外發(fā)現(xiàn)，原本帶磁性的金屬通過合金化后，出現(xiàn)磁性消失的現(xiàn)象。這意味著，部分金屬擁有鐵磁-順磁相變的情況?！白鳛橐环N電子交換-關(guān)聯(lián)作用，磁性變化也會體現(xiàn)為體系電子結(jié)構(gòu)的變化，而催化劑的電子結(jié)構(gòu)決定了其與反應(yīng)物的吸附強(qiáng)度。因此，磁性變化可以影響整體反應(yīng)的活性?！蓖鯘忉?。
通過計算，王濤團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，在相同反應(yīng)條件下，使用順磁性鈷和鎳作為催化劑的氨合成，效率比相應(yīng)鐵磁性狀態(tài)下高出100-10000倍；而用順磁性的鈷代替釕作為催化劑，則有可能使反應(yīng)活性增加10倍，同時，催化劑成本可降低400倍。未來，王濤團(tuán)隊將聯(lián)合其他團(tuán)隊通過實驗驗證這一理論并推向?qū)嶋H應(yīng)用。
“該研究融合了化學(xué)、物理和材料科學(xué)中經(jīng)典原理、反應(yīng)和理論，為重新審視鐵磁材料的順磁相在多相催化中的催化性能開辟一條新的途徑，或為未來設(shè)計性能優(yōu)異的催化劑提供重要理論參考。”王濤說。
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