新型耐用且价格低廉的合成氨催化剂可稳定生产且减少碳足迹

哈伯-博世工艺通常用于通过在高压和高温下将氢气（H2）和氮气（N2）在催化剂上结合起来合成氨气（NH3），这一反应是合成氮肥的基础，是有助于提高农作物产量和提高全球粮食产量的最重要的科学突破之一。

然而，由于该过程的高温和高压要求，需要大量的化石燃料能源投入。这种方法所利用的氢气来自天然气（主要是甲烷）。这种氢气生产过程消耗了大量的能源并排放了大量的二氧化碳。为了解决这些问题，研究人员已经创造了一些催化剂，以使反应在更温和的情况下进行，利用可再生能源电解水产生的氢气。其中的氮化物基催化剂含有活性金属纳米颗粒，如镍和钴（Ni, Co），并负载在氮化镧（LaN）载体上。

合成氨的廉价、化学上持久的催化剂的信息图 图像来源: Tokyo Tech

在这些催化剂中，载体和活性金属都参与了NH3的形成。活性金属分裂出H2，而LaN载体的晶体结构含有氮空位和氮原子，可以吸附和激活氮气（N2）。虽然这些催化剂非常经济（因为它们不需要昂贵的钌），但它们的催化性能在暴露于湿气时受到影响，LaN支撑物会转化为氢氧化镧（La（OH）3）。

现在，在《Angewandte Chemie》上发表的一项新研究中，由日本东京工业大学（Tokyo Tech）的Hosono教授领导的来自中国和日本的研究人员已经开发出一种化学上稳定的催化剂，在潮湿的情况下也很稳定。他们从含有稀土金属（在这种情况下是La）和金属之间的化学键的稳定稀土化合物中获得灵感，将铝原子纳入LaN结构，并合成了一种化学上稳定的La3AlN载体，其中含有La-Al键，防止镧原子与水分发生反应。

La-Al-N支持物与活性金属，例如镍和钴（Ni, Co）一起，能够以类似于传统金属氮化物催化剂的速率生产NH3，并且在投入含水分的氮气时也能够保持稳定的生产。Hosono教授说："镍或钴负载的La-Al-N催化剂在暴露于3.5%的水分后没有显示出明显的降解。"

虽然铝原子稳定了载体，但掺杂在载体中的晶格氮和氮缺陷使合成氨的方式与传统的活性金属/稀土金属氮化物催化剂相似。"晶格氮以及La-Al-N中的氮空位在N2吸附中起着关键作用，La-Al-N支持物和活性金属Ni分别负责N2和H2的吸收和活化，"Hosono教授解释说。

哈伯-博什工艺是一种能源密集型的化学反应，占全球每年二氧化碳排放量的1%左右。虽然正在研究其他环境友好型的NH3生产方法，但引入廉价的催化剂可以使该工艺在更温和的条件下运行，从而提供更直接的益处。