中科院大連化物所化學鏈合成氨研究取得新進展

　　近日，中國科學院大連化學物理研究所復合氫化物材料化學研究組研究員陳萍、副研究員郭建平團隊在化學鏈合成氨研究方面取得新進展。該團隊基于多年來對儲氫材料及催化合成氨與氨分解反應的研究積累，構建了一種基于氫化物和亞氨基化合物的化學鏈合成氨新過程。相關研究成果發表于《自然-能源》（Nature Energy，DOI: 10.1038/s41560-018-0268-z）上。

　　氨的合成關乎糧食、水、空氣和能源等問題。基于可再生能源的合成氨新方法與新工藝是催化、材料和能源化學領域的前沿課題。在過渡金屬上進行的催化反應中，由于反應物種的吸附能之間存在固有的線性關系（scaling relations），所以難以實現氨的低溫高效合成。通過將合成氨反應解耦為氮化和加氫兩個分步驟，即化學鏈過程，是規避scaling relation的有效策略。基于前期的積累，該研究團隊提出了一種以堿（土）金屬亞氨基化合物為氮載體的低溫化學鏈合成氨技術，即堿（土）金屬的氫化物首先通過“固定”氮氣生成相應的亞氨基化合物，隨后將反應氣氛切換為氫氣使得亞氨基化合物加氫釋放出氨氣。其中，Li-N-H和Ba-N-H體系具有適中的氮化及加氫反應熱力學，在過渡金屬催化劑的協助下，可在常壓和100°C的條件下實現氨的合成。在250°C下，該過程的產氨速率約大于高活性Cs-Ru/MgO催化過程一個數量級。而目前文獻報道的化學鏈合成氨方法主要是基于Al/AlN/Al2O3, Cr/CrN/Cr2O3等體系，由于包含了強放熱的水解反應和強吸熱的還原反應，這些過程所需的溫度都很高（>1000°C）。

　　基于此項研究結果，該研究團隊構建了一條基于可再生能源的化學鏈合成氨工藝流程，即利用可再生能源產生的電能進行空分制氮和電解水制氫，然后將氮氣和氫氣交替通入載有氫化物的反應器中分別進行氮化和加氫反應，未反應的氣體經分離純化后循環使用。此工藝可在較為溫和條件下進行（常壓，100-300°C），避免了在Haber-Bosch過程中高能耗的氣體壓縮過程，顯著提高了能效。其中合成氨及吸附分離氨等部分單元已經進行了實驗驗證。此工藝為可再生能源的儲存與利用及小規模分布式合成氨工廠的構建提供了一個方案。

　　陳萍研究團隊在堿（土）金屬氫化物和（亞）氨基化合物等方面進行了近二十年的積累。此項研究是繼該類化合物應用于儲氫（Nature）、催化氨分解（Angew. Chem. Int. Ed.）、催化氨合成（Nature Chem.）之后的又一重要進展。

　　該研究得到國家自然科學基金委、中日政府間合作項目、教育部能源材料化學協同創新中心（iChEM）、大連化物所甲醇轉化與煤代油新技術基礎研究專項（DICPDMTO）、中科院青促會項目的資助。