合成氨产率提高近十个数量级：石墨炔基Pd原子催化剂 | NSR

海归学者发起的公益学术平台

分享信息，整合资源

交流学术，偶尔风月

在常温、常压下高选择性、高产率合成氨（NH₃）至今仍是难题。该领域中，原子催化剂具有诸多优点，有望成为变革性的下一代催化剂。

近日，中国科学院化学研究所李玉良院士团队和山东大学薛玉瑞教授、香港理工大学黄勃龙教授合作在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表研究论文，他们在石墨炔（GDY）上锚定了零价钯（Pd）金属原子（图1），并将获得的Pd-GDY催化剂应用于电催化合成氨反应，获得了极高的选择性和氨产率。

图1. 制氨电催化剂Pd-GDY的合成原理，及其可重复使用过程 

石墨炔具有丰富的化学键、高共轭π电子离域、表面和孔洞结构。借助这些特点，研究者提出了“金属离子锚定-电子转移-自还原”的零价金属的稳定过程，由此实现了金属原子与石墨炔本体的不完全电荷转移，大大增加了催化活性位点数量，并使活性组分高度分散，以获得最佳催化效果。

扫描电镜（SEM）、高分辨透射电镜（TEM）、球差校正透射电镜（HAADF-TEM）、X射线近边吸收结构以及X射线吸收精细结构谱等实验结果显示，零价金属钯原子成功负载于石墨炔表面，且其分布高度均匀、分散（图2）。 

图2. Pd-GDY催化剂的(a) SEM, (b) HRTEM, (c) 元素面扫描及(d,f) HADDF-STEM 图像；(e,g) 分别是(d)和(f)图中红框部分的放大图；Pd-GDY,Pd箔和PdO的同步辐射结果：(h) Pd K边XANES以及(i)XANES一阶导数光谱。

在中性和酸性环境中，Pd-GDY皆表现出优异的氮还原反应选择性、活性和稳定性（图3）。在中性条件下，催化剂具有最高的氨产率（4.45 ± 0.30 mg_NH3 mg_Pd^-1 h^-1），比目前已报道的氮还原催化剂的氨气产率高出近十个数量级；而在酸性环境中，其催化活性亦可达到1.58 ± 0.05 mg_NH3 mg_Pd^–1 h^–1。

此外，同位素标记实验证明，合成氨中的N来源于氮气；实验中并未检测到副产物肼的生成；该催化剂的氨气产率及法拉第效率均可保持数轮循环不衰减。

图3. (a)氨产物溶液紫外-可见吸收谱；(b)中性条件下氨气产率及法拉第效率；(c) Pd-GDY与其他催化剂性能比较；(d)同位素实验结果；(e) Pd-GDY与纳米颗粒样品性能比较；(f)循环性能。 

综上，研究者依据石墨炔与传统碳材料在结构和性质上的差异，巧妙利用石墨炔的特性，建立了简单、高效和稳定的“金属离子锚定-电子转移-自还原”模式，并获得了高选择性、高稳定性、高产率的石墨炔基零价钯原子催化剂。该催化剂结构、组成、催化活性来源清晰，性能优异，代表了碳基催化剂发展的新方向。

点击“阅读原文”查看论文原文。

扩展阅读

 

本文系网易新闻·网易号“各有态度”特色内容

媒体转载联系授权请看下方