用更少的能源合成氨，可持续地为世界提供能源

东京工业大学（Tokyo Tech）的科学家通过采用常见的脱水剂氢化钙并向其中添加氟化物，开发出了一种改进的催化剂。通过使用现有技术所需能量的一半，该催化剂仅在50°C的温度下即可促进氨的合成。这为低能耗和减少温室气体排放的氨生产打开了大门。

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图片来源：Irasutoya ， Michikazu Hara

氨（NH3）是当今最重要的工业化学品之一，在全球范围内合成用于肥料，然后可使全世界约70％的人口生产粮食。目前，氨是通过使空气中的氮气（N2）与氢气（H2）反应获得的。该反应需要高能量，因此需要使用化石燃料，占全球二氧化碳排放量的3％以上。

研究背景氨对于制造植物肥料至关重要，而植物肥料又养活了世界70％的人口。在工业上，氨是通过哈伯-博世（Haber-Bosch）工艺生产的，其中甲烷首先与蒸汽反应生成氢气，然后氢气与氮气反应生成氨。
该过程的问题是随着温度升高，产率降低。为了继续获得良好的产率，需要增加施加在反应室中的压力，这需要很多能量。此外，用于反应的铁基催化剂仅在350℃以上才有效，维持这样的高温还需要大量的能量，最重要的是，产率仅为30-40％。
目前，化石燃料被用于驱动该过程，从而向大气中排放了大量的二氧化碳。已经采用了可再生资源替代方法，例如风能，但事实证明这些替代方法不可持续。
因此，为了增加产量同时减少对环境的危害，该反应必须在低温下进行。为此，需要能够在低温下反应的催化剂。

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1 / 1a）在已开发的含氟化物Ru / CaFH催化剂上的氮吸附的傅立叶变换红外（FT-IR）光谱（上图）显示，与未改性的Ru / CaH2催化剂相比，氮原子之间的键合减弱（下图）。b）建议的使用Ru / CaFH催化剂的反应机理。图片来源：自然通讯
研究突破到目前为止，这种催化剂对科学家来说还遥不可及。“常规催化剂在100-200°C时会失去从N 2和H 2气体生成氨的催化活性，即使它们在高温下表现出高催化性能也是如此， ”来自日本东京理工大学的一组科学家指出。
由Michikazu Hara博士领导的科学家开发了一种即使在50°C时仍然有效的催化剂。他们的催化剂可在50°C的温度下从N 2和H 2气体中产生氨，活化能非常小，为20 kJmol -1 ，这是传统催化剂的一半。
他们的催化剂包括CaFH的固溶体，其表面沉积有钌(Ru)纳米颗粒。氟化物(F-)加入氢氧化钙(CaH2) ，一种常见的脱水剂，是使催化剂在较低的温度和压力下有效的原因。经过光谱分析和计算分析，科学家们提出了催化剂促进氨生产的可能机制。
氟化钙(Ca-F)键强于钙-氢(Ca-H)键。所以， Ca-F键的存在削弱了Ca-H键， Ru能够从催化剂晶体中提取出H原子，留下电子。氢原子然后从Ru纳米颗粒中释放出氢气，即使在50°C时也会发生这种情况。
【用更少的能源合成氨，可持续地为世界提供能源】被捕获的电子与晶体中的F离子之间的电荷斥力降低了这些电子释放的能量屏障，从而使材料具有较高的供电子能力。这些释放的电子攻击氮气中氮原子间的键，促进了氨的生成。
研究意义这种新的氨生产方法降低了能源需求，从而减少了因使用大量化石燃料而产生的二氧化碳排放量。这项研究的结果阐明了哈伯-博世在环境上可持续的过程的可能性，为农业食品生产的下一场革命打开了大门。