天津大学在低温低压大规模合成氨领域取得重大突破

近日，天津大学于一夫教授、张兵教授团队在低温低压大规模合成氨研究上取得重要进展。该团队提出了外场强化热催化合成氨策略，通过将反应器进行简单的改造引入高频电磁场，即可实现低温低压大规模合成氨。相关研究成果于近期发表在《科学通报》期刊上。

全球一半以上的食品产量与合成氨工业直接相关，它结束了人类完全依靠天然氮肥的历史，支撑了现代文明的蓬勃发展。基于其重要贡献，百年来合成氨领域已先后获得三次诺贝尔化学奖。目前，工业合成氨需要在高温(～500℃)、高压(150-200 bar)条件下实现，每年消耗近2%的全球能源供应，排放二氧化碳占全球排放总量的近1.5%。在能源紧张与“双碳”目标背景下，如何将合成氨温度与压力降下来成为该领域面临的新挑战。

天津大学博士研究生、论文第一作者张宝顺表示：“面对低温低压大规模合成氨的重大挑战，我们团队先后尝试了热、电、光、等离子体催化等多种途径，均未得到理想的结果。在一次次激烈的头脑风暴中，我们提出电磁场辅助热催化猜想：使用高频、高电压电磁场对铁磁性催化剂活性中心d轨道电子的自旋极化、氮气分子的偶极矩以及反应中间物种的吸脱附行为进行实时调控，进而实现氮气在低温下的高效活化。经过反复探索，我们于2021年在自制的反应装置上取得了预期成果，在近常温、商业催化剂条件下合成氨反应的效率得到了显著提升，过去两年我们完成了初级放大以及相关专利申请”。

近年来，超越传统的氮肥应用，绿氨被认为是极具发展潜力的储氢载体和零碳燃料。据悉，于一夫教授团队在天津大学和亚洲硅业(青海)股份有限公司的支持下，正在太阳能资源丰富的青海省，推动低温、低压合成氨技术在大规模、长时储能领域的产业化工程示范。

此前，天津大学成功打破电催化剂单向转化的传统认知，提出了三步接力催化机制。在新机制的指导下设计与合成了新型催化剂，实现氨的高效、绿色制备。该研究相关论文发表于4月20日国际期刊《自然·催化》(Nature Catalysis)。

氨作为一种重要的大宗化学品对于社会发展至关重要。合成氨工业被认为是20世纪最伟大的发明，先后获得三次诺贝尔奖。近年来，在“双碳”目标和能源革命的大背景下，氨以其质量储氢密度大、易液化和运输体系完备等优势，成为最具有发展前景的氢载体之一。但是，传统的合成氨反应是以氮气和氢气为原料在高温、高压下进行(哈伯法)，其集中式、连续式生产模式与风电/光伏的分布性、波动性特点不匹配，严重限制了氨能在风能/太阳能高效储运领域的发展。因此，开发氮气活化与转化新途径，在温和条件下实现氨的高效、绿色、分布式合成具有重要意义。

天津大学氨氢新能源团队的分子+研究院于一夫教授和理学院张兵教授课题组致力于绿氨温和制备研究，在国际上率先提出电催化氮气“氧化-还原”接力制氨策略，并建立了相对完整的具有自主知识产权的新型合成氨催化剂的专利体系，在氮气氧化和含氮氧化物还原领域取得了一系列成果。最近，提出三步接力机制实现高效电催化合成氨，起始电位接近理论电位，合成氨成本低于市场价格，且在长程稳定性和再生循环测试中均保持稳定。该论文第一作者、分子+研究院研究助理汉术和博士介绍，这项发现是化学、化工、材料等学科交叉的结果，可能为相关领域催化剂设计提供新思路。