氨作为一种无机化合物，在农业、工业等多个领域有着广泛的应用。如何高效、环保地合成氨，助力相关行业的发展，是人们广泛关注的问题。
近日，西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心在合成氨催化机理研究方面取得了新进展。在此次研究中，研究团队通过理论计算，揭示了铁磁—顺磁相变对铁磁金属催化性能的影响机制，并提出了进一步优化合成氨活性的理论新策略，为未来设计性能优异的催化剂提供了重要参考。研究成果近日发表在《美国化学会志》期刊上。
立足改进金属催化剂提升反应效率
“合成氨对于人类的生产生活意义重大。氨既是农业中生产化肥的重要原料，也是工业中制备精细化学品的关键氮源，更是一种理想的无碳燃料和氢气载体。”此次研究的课题负责人、西湖大学教授王涛对记者表示。
目前，工业界常用的大规模合成氨的传统方法是哈伯法，也称哈伯—博施法。哈伯法是一种通过让氮气和氢气在金属催化剂的作用下进行反应，以合成氨的方法。然而，目前工业界使用哈伯法进行大规模合成氨，每年不仅间接导致了约3亿吨的二氧化碳排放，还消耗了全球约2%的能源。
要降低合成氨的碳排放和成本，提高反应效率是最为重要的途径之一。此次研究中，研究团队将目光投向了改进合成氨过程中要用到的金属催化剂本身。
王涛介绍，在催化剂领域，催化速度只能达到萨巴蒂尔原理所允许的限度。萨巴蒂尔原理定义了理想催化剂的标准，即催化剂与反应物种的作用力要恰到好处，催化剂与反应物种的作用力既不能太强，也不能太弱。具体来说，假如催化剂与反应物种的作用力太强，反应的产物将难以脱附；若催化剂与反应物种的作用力太弱，反应物则将无法被催化剂有效活化。催化剂与反应物种的作用力无论是太强还是太弱，都会降低催化速度。
揭示铁磁—顺磁相变对催化性能影响机制
在此次研究的一次理论计算中，研究团队发现，原本具有磁性的金属在合金化后，出现了磁性消失的现象。这意味着，部分金属存在铁磁—顺磁相变的情况。
“磁性变化作为一种电子交换—关联作用，体现为体系电子结构的变化。由于催化剂的电子结构决定了催化剂与反应物的吸附强度，磁性变化可以在一定程度上影响整体反应的活性。”王涛表示。
研究团队发现，在保持反应条件不变的前提下，使用顺磁性钴和镍作为催化剂的氨合成，反应效率比铁磁性状态下要高出100倍—10000倍，效率得到了极大的提高；使用顺磁性的钴代替钌作为催化剂，则有可能在催化剂成本降低400倍的基础上，使反应活性提升10倍，反应活性得到了很大的增强。研究表明，铁磁—顺磁相变对铁磁金属的催化性能存在较为重大的影响。
“此次研究融合了化学、物理学与材料科学中许多经典原理、反应与理论，为重新审视铁磁材料的顺磁相在多相催化中的催化性能开辟了一条新的途径，或将为设计性能优异的催化剂提供理论参考。”王涛说。
