陈萍、郭建平研究员：

合成氨是非常重要的化学反应过程。一方面，合成氨工业与现代农业、能源及环境密切相关；另一方面，合成氨反应被誉为多相催化中的“领头羊（Bellwether）”式的反应。虽然合成氨反应在常温常压下是热力学可行的，但其动力学阻力巨大，需要开发高活性催化剂。在过去的一个多世纪里，科研工作者们对多相合成氨催化剂进行了广泛而深入的研究。目前工业合成氨催化剂包括两种：一种是熔铁催化剂，组成为含有少量K2O和Al2O3等多种助剂的氧化铁；另一种是负载型钌基催化剂。同熔铁催化剂相比，钌催化剂的操作条件更温和，活性更高，是目前国内外研究最多的催化剂体系。针对活性金属钌的尺寸及形貌、功能载体的选择等方面，研究人员进行了许多优化和调变。除了钌基催化剂，近期科研工作者们还开发了含负氢（H‾）物种的氢化物催化剂以及电子化物（electride）等新型合成氨催化剂体系，进一步丰富了合成氨催化剂这个大家族。

经过百年的研究，人们对于合成氨反应及催化剂的认识不断加深，为催化剂的设计提供了许多重要启示。理想的低温低压高活性合成氨催化剂需要具有这样的性质。首先，催化剂应当可以高效活化氮气分子；其次，中间物种及产物NHx（x=0-3）易于进一步转化或脱附。遗憾的是，理论研究表明，催化剂表面反应物种吸附能与过渡态能量之间存在着普遍的能量限制关系（即scaling relations），从而难以同时满足这两个条件。要实现低温低压条件下氨的高效合成，就需要规避或打破这种能量限制。我们可以通过向活性过渡金属中引入非过渡金属组分（如碱金属氢化物）构成双中心体系，或者施加外界刺激（如光、等离子体）等在一定程度上规避单一过渡金属上的能量限制。

此外，氮气的解离方式也是合成氨催化剂设计时需要考虑的重要因素。在合成氨反应条件下，研究人员普遍认为氮气分子在多相催化剂表面发生直接解离生成表面吸附氮原子，随后氮原子逐步加氢成氨；但在固氮酶及金属配合物上，氮气活化则一般遵循缔合机制，即氮气分子中氮氮键先加氢生成N2Hx物种再进一步加氢成氨。这就启发我们通过构筑可实施氮气缔合机制的催化剂表面，有可能实现低温条件下氨的合成。