我國學者在表面單團簇合成氨理論研究領域取得重要進展

　　 在國家自然科學基金項目（項目編號：21590792，91645203，21521091)等資助下, 清華大學化學系李雋教授課題組近期在表面單團簇催化合成氨理論研究工作中取得重要進展。相關成果以“Heterogeneous Fe3 Single-Cluster Catalyst for Ammonia Synthesis via An Associative Mechanism”（多相Fe3單團簇催化劑上合成氨的締和機理）和“Surface Single-Cluster Catalyst for N2-to-NH3 Thermal Conversion”（表面單團簇催化劑上N2到NH3的熱轉化）為題，分別于2018年4月23日和2018年1月5日在Nature Communications（《自然-通訊》）和Journal of the American Chemical Society（《美國化學會志》）上發表，論文鏈接：https:// www.nature.com/articles/s41467-018-03795-8，https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021 /jacs.7b10354。

　　人工合成氨是科學史上的里程碑之一。一百多年來，工業合成氨需要高溫高壓的苛刻條件，而自然界的生物固氮是在常溫常壓下進行的。因此高效的人工模擬生物固氮成為催化科學領域的圣杯。李雋教授課題組在多年研究的基礎上，提出了“表面團簇催化”(Single-Cluster Catalysis)的新概念，首次揭示了表面上穩定的孤立雙金屬團簇催化劑上合成氨的可行性及其微觀機理（如圖所示）。研究發現，與目前工業催化合成氨過程中高溫高壓下直接打開NoN三重鍵不同，在表面團簇上N2可以在溫和條件下直接加氫生成NNH中間體，這一新反應機理與自然界的生物固氮過程相似。通過在異相催化劑表面構建類似于均相的單團簇活性中心，他們提出的方法突破了合成氨過程中著名的Br?nsted–Evans–Polanyi (BEP)關系的限制，提供了一種新型的合成氨反應的催化方法。

　　上述研究成果有利于進一步提高人們對合成氨催化劑的結構調控方式的認識，提出的基于表面單團簇的新的氮分子活化機理及其反應模式，對溫和條件下催化合成氨的實驗研究具有重要的理論指導意義。歐洲Chemistry Views（《化學視角》）對此項研究進行了報道。（http://www.chemistryviews.org/details/news /10746715/Catalyst_for_N2-to-NH3_Thermal_Conversion.html）

　　圖.（1）傳統的金屬表面上高溫高壓合成氨（N2* → 2 N*）；

　　（2）在異相催化劑表面構建單團簇中心合成氨（N2* + H* → NNH*）；

　　（3）固氮酶活性中心上常溫常壓合成氨（*N2 + H+ + e -→ *NNH)。