我国科学家实现温和条件下以氮气和水为原料直接合成氨

IT之家 12 月 18 日消息，中国科学院大连化学物理研究所今日官宣，该所能源催化转化全国重点实验室能源与环境小分子催化研究中心（509 组群）邓德会研究员、黄瑞研究员、于良研究员团队在合成氨领域取得新进展。

团队创新性地提出了“反应耦合”与“双位点协同”相结合的策略，在 100 至 320 °C 的温和条件下，实现了以氮气和水为原料直接合成氨，为发展短流程、低能耗的合成氨技术提供了新途径。

氨（NH3）是现代农业和化工生产的关键原料。传统 Haber-Bosch 合成氨工艺依赖高纯氢气作为原料，其制备过程能耗高，且后续纯化步骤复杂。若能将丰富的水资源直接作为氢源，与大气中的氮气反应，将有望从源头缩短合成氨的流程，从而大幅降低能耗和成本。

然而，该反应面临两大核心挑战：

• 一是氮气与水直接反应在热力学上极为不利（ΔG >> 0），需要输入极高能量才能发生；

• 二是反应体系中的水分子及含氧中间体会强烈竞争催化剂的活性位点，抑制氮气的吸附与活化，导致反应动力学过程受阻。

本工作针对上述挑战，提出了系统性的解决方案。

• 在热力学层面，团队创新性地引入一氧化碳（CO）调变热力学，利用其与水中氧原子反应的强放热，将原本强吸热的反应转变为热力学有利反应，从而绕开氮气与水反应的热力学限制。

• 在动力学层面，团队设计并构建了 Au/α-MoC1-x 双位点催化剂，其界面钼（Mo）位点负责吸附活化氮气（N2）和水（H2O）生成氨，界面金（Au）位点则吸附 CO 作为“氧受体”移除残余氧，二者协同实现了氮气活化、水分解、加氢与氧移除等多个步骤的相互拉动与催化循环。

该“反应耦合”与“双位点协同”相结合的策略使得原本不可行的反应在 100 °C 的低温下即可启动，在 320 °C 时产氨速率达 1396 μmol g^-1 h^-1，其性能较相同条件下利用氢气作为氢源的体系高出 2 倍以上。

该工作不仅证实了温和反应条件下氮气和水直接合成氨的可行性，更在原理上为开发其他直接用水作为氢源的高效催化加氢过程提供了借鉴。

相关研究成果以“Direct Ammonia Synthesis from Nitrogen and Water at Mild Conditions”为题，于 12 月 2 日发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上，上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、大连化物所能源催化转化全国重点实验室、大连化物所创新基金等项目的资助。

IT之家附论文链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.5c17318

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