绿色氨生产：非过渡金属催化剂的创新突破

来自 实验室仪器网

研究人员揭示了Ba-Si正硅酸盐氮氧化物-氢化物是一种不含过渡金属的催化剂，为可持续化学创新打开了大门。这项研究发表在《自然化学》上。该研究旨在开发更高效、更可持续的氨合成方法。

该研究调查了Ba-Si正硅酸盐氮氧化物-氢化物(Ba3SiO5−xNyHz)作为氨合成工艺中传统过渡金属体系的可行替代品。这些化合物采用低温固态反应合成，并添加了钌纳米颗粒，在较温和的条件下表现出增强的催化性能，提供了一种更节能的氨生产方法。

这一战略还解决了传统技术带来的环境问题，表明氨生产工业流程将向更加环保的方向发展。

随着世界变得更加可持续，经济各部门对有效替代品的需求只会增加。氨是肥料、炸药和许多其他产品的重要组成部分，它主要使用能源密集型的哈伯-博世工艺生产。该工艺需要极高的压力和温度，这会增加全球二氧化碳的排放量。

这些严酷的环境对于使用铁和钌等传统催化剂来促进反应是必不可少的。由日本东北大学、国家材料科学研究所和东京科学研究所的北野正明教授领导的一项新研究调查了Ba3SiO5−xNyHz催化剂作为传统催化剂的可持续替代品，可以改变氨合成。

活性位点是催化剂三维结构中的空隙，特别是阴离子空位。这些活性位点积极参与催化过程。然而，如果没有过渡金属位点，阴离子空位本身就无效。这一限制促使科学家制造出一种不含过渡金属的催化剂。

研究团队创造并评估了几种混合阴离子材料，以解决传统合成技术引发的能源和环境问题。研究经历了几个阶段。首先，研究人员利用低温（400-700°C）固态反应将钡酰胺与二氧化硅反应，生成一种新的Ba-Si氮氧化物-氢化物Ba3SiO5−xNyHz。最终的化学成分为Ba3SiO2.87N0.80H1.86。

与Ba3SiO5、Ba3Si6O9N4和BaSi2O2N2等传统硅酸盐材料的合成温度（1100–1400°C）相比，该温度明显较低。即使没有任何过渡金属位点，合成的Ba3SiO5−xNyHz作为氨合成催化剂也表现出了出色的稳定性。与传统的载钌MgO催化剂相比，它表现出更高的活性和更低的活化能。

然而，Ba3SiO5，Ba3Si6O9N4和BaSi2O2N2未表现出任何催化活性。利用先进的仪器技术分析了结构性质并测试了不同压力和温度下Ba3SiO5−xNyHz催化剂的氨合成活性。

添加钌纳米粒子可进一步提高性能。研究人员发现，使用钌纳米粒子，Ba3SiO5−xNyHz表现出最高的催化活性。这些结果表明，氨合成的方法更加节能、可持续。

研究表明，无过渡金属途径可减少排放和资源依赖，支持可持续发展，而较低的温度和压力可提高效率。此外，Ba3SiO5−xNyHz催化剂的稳健性能和可扩展合成使其成为工业应用的有吸引力的选择，为大规模生产氨提供了一种更环保的方法。这些结果为未来研究其他重要工艺的无过渡金属催化奠定了基础。

这项研究解决了一个重大的工业化学挑战，是朝着可持续氨合成迈出的重要一步。通过展示Ba3SiO5−xNyHz催化剂的功能，科学家们为一种更环保、更有效的合成氨的方法奠定了基础。氨是一种必需的化学物质。随着全球对氨的需求不断增加，像这样的创新将推动更可持续的未来。

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