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IT之家 12 月 18 日消息，中國科學院大連化學物理研究所今日官宣，該所能源催化轉化全國重點實驗室能源與環境小分子催化研究中心（509 組群）鄧德會研究員、黃瑞研究員、于良研究員團隊在合成氨領域取得新進展。

團隊創新性地提出了“反應耦合”與“雙位點協同”相結合的策略，在 100 至 320 °C 的溫和條件下，實現了以氮氣和水為原料直接合成氨，為發展短流程、低能耗的合成氨技術提供了新途徑。

氨（NH3）是現代農業和化工生產的關鍵原料。傳統 Haber-Bosch 合成氨工藝依賴高純氫氣作為原料，其制備過程能耗高，且后續純化步驟復雜。若能將豐富的水資源直接作為氫源，與大氣中的氮氣反應，將有望從源頭縮短合成氨的流程，從而大幅降低能耗和成本。

然而，該反應面臨兩大核心挑戰：

• 一是氮氣與水直接反應在熱力學上極為不利（ΔG >> 0），需要輸入極高能量才能發生；
• 二是反應體系中的水分子及含氧中間體會強烈競爭催化劑的活性位點，抑制氮氣的吸附與活化，導致反應動力學過程受阻。

本工作針對上述挑戰，提出了系統性的解決方案。

• 在熱力學層面，團隊創新性地引入一氧化碳（CO）調變熱力學，利用其與水中氧原子反應的強放熱，將原本強吸熱的反應轉變為熱力學有利反應，從而繞開氮氣與水反應的熱力學限制
• 在動力學層面，團隊設計并構建了 Au/α-MoC1-x 雙位點催化劑，其界面鉬（Mo）位點負責吸附活化氮氣（N2）和水（H2O）生成氨，界面金（Au）位點則吸附 CO 作為“氧受體”移除殘余氧，二者協同實現了氮氣活化、水分解、加氫與氧移除等多個步驟的相互拉動與催化循環。

該“反應耦合”與“雙位點協同”相結合的策略使得原本不可行的反應在 100 °C 的低溫下即可啟動，在 320 °C 時產氨速率達 1396 μmol g-1 h-1，其性能較相同條件下利用氫氣作為氫源的體系高出 2 倍以上。

該工作不僅證實了溫和反應條件下氮氣和水直接合成氨的可行性，更在原理上為開發其他直接用水作為氫源的高效催化加氫過程提供了借鑒。

相關研究成果以“Direct Ammonia Synthesis from Nitrogen and Water at Mild Conditions”為題，于 12 月 2 日發表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上，上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、大連化物所能源催化轉化全國重點實驗室、大連化物所創新基金等項目的資助。

IT之家附論文鏈接：

關鍵詞： 氮氣 氫氣 氫源 合成氨 催化劑 熱力學