富电子、多组分协同催化

　　近日，我所复合氢化物材料化学研究组（DNL1901）陈萍研究员、青促会会员郭建平研究员团队与丹麦技术大学Tejs Vegge教授团队、我所李海洋研究员团队、我所江凌研究员团队合作，在催化合成氨研究方面取得重要进展。团队首次将配位氢化物材料应用于催化合成氨反应中，开发了一类新型碱（土）金属钌基三元氢化物催化剂，实现了温和条件下氨的催化合成。

　　氨是一种重要的化工原料和极具前景的能源载体，实现在温和条件下氨的高效合成具有重要的科学意义和实用价值。以化石能源驱动的现有合成氨工业是一种高能耗、高碳排放的过程。因此，在以可再生能源驱动的“绿色”合成氨过程中，低温低压高效合成氨催化剂的开发是核心技术，也是科研工作者们长期以来不懈追求的目标。

　　本工作中，团队开发的碱（土）金属钌基三元氢化物（Li₄RuH₆和Ba₂RuH₆）催化剂材料可实现温和条件下氨的催化合成。该催化剂材料是一种离子化合物，由Ru的配位阴离子[RuH₆]^4-和碱（土）金属阳离子Li⁺或Ba²⁺构成，其在低温（<573K）、低压（<10bar）下具有优异的催化合成氨性能。当反应温度低至100^oC时，Ba₂RuH₆催化剂仍有可检测的催化活性。研究发现，该类三元氢化物催化剂材料的合成氨反应遵循氢助解离式机制，其所有组分均参与了合成氨反应，即富电子的[RuH₆]^4-是N₂活化位点，H^-是电子和质子传递载体，Li⁺或Ba²⁺通过稳定N_xH_y物种降低反应能垒，通过多组分协同催化，使N₂和H₂以能量较优的反应路径转化为NH₃。

　　该类三元氢化物催化剂作为一类独特的化合物催化剂，其在组成、结构、反应动力学性质、活性中心作用机制等方面显著不同于常规多相合成氨催化剂，而与均相合成氨催化剂存在一定关联，为多相固氮和均相固氮研究架起了桥梁。更为重要的是，该项研究丰富了合成氨催化剂体系，并提出了构建“富电子、多组分活性位点”这一合成氨催化剂设计策略，为进一步探寻低温低压高效合成氨催化剂提供了新思路。

　　陈萍团队在氢化物材料研究方面已有二十多年的积累。此项研究是继氢化物应用于储氢（Nature，2002）、催化氨合成（Nat. Chem.，2017）、化学链氨合成（Nat. Energy，2018）之后的又一重要进展。

　　相关成果以“Ternary Ruthenium Complex Hydrides for Ammonia Synthesis via the Associative Mechanism”为题，于近日发表在《自然-催化》（Nature Catalysis）上。该工作的第一作者是我所DNL1901博士研究生王倩茹和丹麦技术大学Jaysree Pan博士。上述工作得到国家自然科学基金委基础科学中心项目“空气主份转化化学”、中国科学院青年创新促进会等项目的支持。（文/图 王倩茹、Jaysree Pan）

　　文章链接：https://doi.org/10.1038/s41929-021-00698-8