蘇州納米所Nano-X崔義等合作在《Chem》發(fā)表重要成果:基于真空互聯(lián)技術(shù)揭示常溫常壓下金屬Li/Ru界面高效合成氨機制
氨(NH3)不僅是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的核心原料,也是重要的無碳能源載體。然而,工業(yè)上廣泛應(yīng)用的哈伯-博世(Haber-Bosch)工藝需在高溫(350–500°C)高壓(10–30 MPa)下運行,能耗巨大,約占全球年能源消耗的2%,并伴隨大量碳排放。如何在常溫常壓等溫和條件下實現(xiàn)高效氨合成,一直是催化領(lǐng)域的“圣杯”式挑戰(zhàn)。
針對這一難題,中國科學院大連化學物理研究所鄧德會研究員、于良研究員團隊與中國科學院蘇州納米所崔義研究員團隊合作,在環(huán)境條件下的熱催化合成氨領(lǐng)域取得新進展。大連化物所研究團隊創(chuàng)新性地構(gòu)建了以金屬Li為陽極、碳納米管負載Ru納米顆粒為陰極的可充電鋰電池體系,通過電池放電原位生成金屬Li/Ru界面,并引入N?和H?混合氣,在常溫常壓條件下的氨生成速率達2.43 mmol gRu-1 h-1。通過電池充放電循環(huán)原位再生Li/Ru界面,該合成氨過程可穩(wěn)定運行超過400小時。該研究為建立溫和條件下的可持續(xù)合成氨過程提供了新途徑。
蘇州納米所研究團隊依托納米真空互聯(lián)實驗站(Nano-X),在超高真空互聯(lián)系統(tǒng)中對Li/Ru模型催化劑開展了精準構(gòu)筑與原位表征,團隊將金屬鋰原子沉積在金屬釕單晶表面,構(gòu)建了具有高活性金屬Li/Ru界面的新型催化劑,并驗證了常溫常壓下熱催化N?與H?高效合成氨的可行性,從原子尺度揭示了Li-Ru協(xié)同活化N?的關(guān)鍵機制。其中面臨著一個極大的實驗挑戰(zhàn):金屬鋰對空氣(氧氣和水)極度敏感,極易被氧化,傳統(tǒng)的非原位表征手段根本無法獲取真實的催化活性中心和反應(yīng)中間體信息。為解決這一難題,研究團隊充分依托Nano-X的獨特優(yōu)勢;研究人員首先在分子束外延(MBE)腔室中,在Ru(0001)單晶表面精準沉積Li金屬,構(gòu)建了理想的Li/Ru模型催化劑;隨后,在不破壞真空、全程隔絕大氣的條件下,將樣品轉(zhuǎn)移至反應(yīng)腔室通入N?和H?進行常溫反應(yīng);最后,繼續(xù)通過真空互聯(lián)管道將反應(yīng)后的樣品分別轉(zhuǎn)移至X射線光電子能譜(XPS)、飛行時間二次離子質(zhì)譜(TOF-SIMS)以及四極桿質(zhì)譜(QMS)等表征節(jié)點,實現(xiàn)了對表面物種的準原位(quasi-in situ)精準探測。得益于Nano-X的多模態(tài)模型催化研究平臺,團隊首次清晰地捕捉到了Li-NHx(如[LiN]-、[LiNH]+等)關(guān)鍵反應(yīng)中間體,并實時監(jiān)測到了室溫下NH3的生成,這一實驗證據(jù)為Li/Ru界面的常溫催化機制提供了最直接、最堅實的支撐。

圖:依托Nano-X超高真空互聯(lián)系統(tǒng)開展的模型催化研究。(A、B)Li/Ru(0001)模型催化劑的制備及其在超高真空互聯(lián)系統(tǒng)中原位反應(yīng)與表征的示意圖。
相關(guān)研究成果以Ammonia synthesis at metallic Li/Ru interfaces under ambient conditions為題,發(fā)表于國際頂級化學期刊《Chem》上。中國科學院大連化物所侯瑩、胡薇、涂云川博士為論文共同第一作者,中國科學院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站項研級高級工程師魏偉、博士后李浩以及創(chuàng)新實驗室博士生雷浩、楊光等參與了研究工作;中國科學院大連化物所鄧德會研究員、于良研究員以及中國科學院蘇州納米所崔義研究員為該論文的共同通訊作者。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委以及中國科學院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站(Nano-X)的支持。
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