耐用 廉价的催化剂可减少氨生产的碳足迹

Haber-Bosch工艺通常用于合成氨(NH3)-合成氮肥的基础-通过在催化剂上在高压和高温下将氢(H2)和氮(N2)结合起来，是最常用的合成工艺之一。帮助提高作物产量和增加全球粮食产量的最重要的科学发现。

然而，由于其对高温和压力的要求，该过程需要大量的化石燃料能量输入。用于该过程的氢气由天然气(主要是甲烷)生产。这种制氢过程既消耗能源，又伴随着大量的二氧化碳排放。

为了克服这些问题，已经开发了各种催化剂以允许反应在更温和的条件下进行，使用通过可再生能源电解水产生的氢气。其中包括基于氮化物的催化剂，其含有负载在氮化镧(LaN)载体上的镍和钴(Ni,Co)等活性金属纳米颗粒。

在这些催化剂中，载体和活性金属都参与了NH3的产生。活性金属分裂H2，而LaN载体在其晶体结构中含有氮空位和氮原子，可吸附和活化氮(N2)。虽然这些催化剂价格低廉(因为它们避免使用昂贵的钌)，但它们的催化性能在存在水分的情况下会降低，LaN载体会转化为氢氧化镧(La(OH)3)。

现在，在AngewandteChemie上发表的一项新研究中，由日本东京工业大学(TokyoTech)的HideoHosono教授领导的中国和日本研究人员开发了一种化学稳定的催化剂，该催化剂在存在水分的情况下也很稳定。受稀土金属(在本例中为La)和金属之间含有化学键的稳定稀土化合物的启发，他们将铝原子结合到LaN结构中，并合成了一种化学稳定的含有La-Al键的La3AlN载体防止镧原子与水分发生反应。

La-Al-N载体以及活性金属，如镍和钴(Ni,Co)，能够以与传统金属氮化物催化剂相似的速率生产NH3，并且在进料时可以保持稳定的生产与含有氮气的水分。“负载Ni或Co的La-Al-N催化剂在暴露于3.5%的水分后没有表现出明显的降解，”Hosono教授说。

虽然Al原子稳定了载体，但掺杂载体中存在的晶格氮和氮缺陷能够以类似于传统活性金属/稀土金属氮化物催化剂的方式合成氨。“La-Al-N中的晶格氮和氮空位在N2吸附中起关键作用，La-Al-N载体和活性金属Ni分别负责N2和H2的吸收和活化，”Hosono教授解释说。

Haber-Bosch工艺是一种能源密集型化学反应，约占全球每年二氧化碳排放量的1%。虽然正在研究用于NH3生产的替代环保方法，但引入廉价的催化剂可以通过允许该过程在更温和的条件下操作来提供直接的好处。