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(jī)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(yùn)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(shí)現(xiàn)高效氨合成,一直是催化領(lǐng)域的“圣杯”式挑戰(zhàn)。
針對(duì)這一難題,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所鄧德會(huì)研究員、于良研究員團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院蘇州納米所崔義研究員團(tuán)隊(duì)合作,在環(huán)境條件下的熱催化合成氨領(lǐng)域取得新進(jìn)展。大連化物所研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地構(gòu)建了以金屬Li為陽極、碳納米管負(fù)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(dá)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(yùn)行超過400小時(shí)。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(tuán)隊(duì)依托納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站(Nano-X),在超高真空互聯(lián)系統(tǒng)中對(duì)Li/Ru模型催化劑開展了精準(zhǔn)構(gòu)筑與原位表征,團(tuán)隊(duì)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(yàn)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(jī)制。其中面臨著一個(gè)極大的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn):金屬鋰對(duì)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(shí)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(tuán)隊(duì)充分依托Nano-X的獨(dú)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(zhǔn)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(jìn)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(shí)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(diǎn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面物種的準(zhǔn)原位(quasi-in situ)精準(zhǔn)探測。得益于Nano-X的多模態(tài)模型催化研究平臺(tái),團(tuán)隊(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測到了室溫下NH3的生成,這一實(shí)驗(yàn)證據(jù)為Li/Ru界面的常溫催化機(jī)制提供了最直接、最堅(jiān)實(shí)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(jí)化學(xué)期刊《Chem》上。中國科學(xué)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(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站項(xiàng)研級(jí)高級(jí)工程師魏偉、博士后李浩以及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室博士生雷浩、楊光等參與了研究工作;中國科學(xué)院大連化物所鄧德會(huì)研究員、于良研究員以及中國科學(xué)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委以及中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站(Nano-X)的支持。
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