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氨合成是全球化工领域的重要反应之一，传统的铁基催化剂在高温高压条件下进行氨合成，消耗大量能源。开发能够在温和条件下高效合成氨的非铁基催化剂一直是科学研究的热点。本研究提出了将富勒烯（C60）锚定到非铁基过渡金属上形成的集簇-基体共催化剂，能够高效促进氢气和氮气的协同激活，显著提升了氨合成的效率。
成果简介
本文通过实验和理论计算表明，富勒烯与非铁基金属的协同效应能够在较低温度和压力下实现高效的氨合成反应。其中，C60 作为电子缓冲区，平衡了过渡金属活性位点的电子密度，促进了氮气和氢气的活化。相较于传统的铁基催化剂，这种共催化剂在温和条件下展示出更高的氨合成速率。
研究亮点
C60电子缓冲效应：C60 能够动态储存和释放电子，有效平衡过渡金属活性位点的电子密度。
高效氨合成：实验表明，富勒烯促进的Ru基和Mo基催化剂在氨合成反应中的活性显著高于传统催化剂。
氢气中毒的解决：C60 的加入有效抑制了Ru基催化剂的氢气中毒现象，提升了催化剂的稳定性和反应速率。
配图精析
图1： 富勒烯对氨合成反应速率的提升
图1展示了富勒烯与Mo基和Ru基催化剂在不同条件下的氨合成速率。结果表明，富勒烯的加入显著提高了反应速率，特别是在钌基催化剂体系中，反应速率提升了数倍，表明富勒烯在促进氮气活化中的重要作用。
图2： 富勒烯与Mo2MX界面结构
图2通过原子分辨透射电镜（HAADF）和能量色散X射线谱（EDS）展示了富勒烯与Mo2MX基体的界面结构。可以看到，富勒烯紧密覆盖在Mo2MX表面，起到了稳定电子分布、增强氮气吸附和活化的作用。
图3： C60对N₂脱附与电子密度的影响
图3展示了在C60修饰下，氮气（N₂）在Mo基和Ru基催化剂上的脱附量显著增加，同时其电子密度的变化也得到有效调控，说明C60的电子缓冲作用是提升反应活性的关键。
图4： DFT计算揭示的N₂活化能垒变化
图4通过密度泛函理论（DFT）计算，展示了氮气在富勒烯修饰钌催化剂表面与常规钌催化剂表面的活化能垒对比。结果表明，C60的加入降低了反应的活化能，有效促进了N₂的裂解与氨合成反应的进行。
展望
本研究通过将富勒烯与非铁基过渡金属结合，实现了高效的氨合成反应，并解决了Ru基催化剂氢气中毒的难题。未来，随着这一共催化体系的进一步优化，有望在工业氨合成中实现更广泛的应用。
文献信息
标题: Fullerene on non-iron cluster-matrix co-catalysts promotes collaborative H2 and N2 activation for ammonia synthesis
期刊: Nature Chemistry
DOI: 10.1038/s41557-024-01626-6
原文链接: https://doi.org/10.1038/s41557-024-01626-6
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