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导语

氮气是大气中含量最丰富的资源，如何在温和条件下将氮气转化为氨是关系到自然界生物体生存的重要课题，也是化工领域热门的研究方向，但目前仍面临巨大的挑战。由于N≡N三键的键能高达941 kJ·mol -1 ，电离能高达15.58 eV，传统的合成氨工艺（Haber-Bosch法）需要在高温高压下进行，耗能巨大，且伴有大量二氧化碳排出，不利于环境友好和可持续发展。研究发现，过渡金属及其纳米/亚纳米催化剂有助于氮气的活化与转化，但对金属催化剂上多位点协同活化N≡N键解离和加氢合成氨的关键步骤还缺少系统的理解。

小尺寸金属团簇具有丰富的活性位点，催化性能强且原子经济性高，近来受到了越来越多的关注。其中，三原子金属团簇是具有顶位（Top site）、桥位（bridge site）和中空位（Hollow site）的最小单元，其协同作用、高效催化和完成多步氧化还原反应的特点为氮气活化与转化提供了一种理想模型。本篇文章基于过渡金属三原子团簇展开了催化固氮的系统研究，探讨了氮气活化和加氢合成氨过程中的关键步骤和协同作用机制，总结筛选出基于三原子金属团簇催化固氮的优化策略，有助于小尺寸金属团簇催化剂的精准设计及实际应用。近日，中国科学院化学研究所骆智训研究员课题组在国际知名期刊ACS Catalysis上发表题为“On the nature of three-atom metal cluster catalysis for N 2 reduction to ammonia”的研究论文（DOI: 10.1021/acscatal.2c04146）。

论文信息：

Chaonan Cui, Hongchao Zhang, Ran Cheng, Benben Huang, and Zhixun Luo*.

On the Nature of Three-Atom Metal Cluster Catalysis for N 2 Reduction to Ammonia

ACS Catalysis, 2022, 12, 14964-14975.

DOI: 10.1021/acscatal.2c04146

第一作者：崔超男

通讯作者：骆智训*

单位：中国科学院化学研究所、中国科学院大学

前沿科研成果

该文章系统研究了第三、第四周期共20种过渡金属三原子团簇催化氮气活化与转化的反应机制，提出了筛选固氮催化剂的“三标准”策略，并将其推广到负载三原子团簇催化合成氨中，筛选出基于三原子金属团簇催化固氮的高效反应体系，阐述了三原子团簇催化的良好应用前景。

图1. 三原子过渡金属团簇催化氮气合成氨的“三标准”策略及负载团簇催化示意图（来源：ACS Catalysis）

要点一：前过渡金属三原子团簇高效活化氮气解离

氮气在三原子金属团簇（M 3 ）上有三种吸附位点，分别是顶点end-on吸附，桥位side-on吸附和中空位face-on吸附。相应地，N 2 解离后的双氮原子可形成桥-桥，桥-面和面-面吸附。根据N 2 吸附和解离的性能可将过渡金属分为三类：前过渡金属TM I ，中间过渡金属TM II 和后过渡金属TM III 。其中，TM I 包含前6种过渡金属团簇（Sc 3 、Ti 3 、V 3 、Y 3 、Zr 3 、Nb 3 ）并倾向与N 2 在Hollow位结合，吸附能强，电荷转移高，NN键被明显拉伸（>1.35 Å），只需经过一个较小的能垒（ /阅读下一篇/ 返回网易首页 下载网易新闻客户端