用铁催化剂和氢化钡合成低温氨

Haber-Bosch (HB) 过程是最重要的工业化学反应之一。它在铁基催化剂存在的情况下，在高温高压下结合氮气和氢气，生产氨肥，为超过 50 亿人提供食物。几十年来，研究人员一直试图降低 HB 工艺的反应温度，以提高氨产量，同时降低能耗。为此，他们最近开发了基于其他过渡金属(例如钌、钴和镍)的新型催化剂，这些金属的催化活性比铁高得多。

然而，这些催化剂在 100-150 o C的低温下会优先将氢原子吸附到其表面，这会减少氮的吸附，从而阻碍氨的产生。这种称为氢中毒的现象对低温 HB 工艺构成了障碍。有鉴于此，由东京工业大学 (Tokyo Tech) 材料与结构实验室的 Michikazu Hara 教授领导的研究人员重新将注意力集中在铁基催化剂上，并对它们进行改性以在 100 o C 下生产氨。他们的工作已经准备就绪将发表在化学学会杂志上。

原教授解释了这项研究背后的动机。“氢中毒对铁基催化剂来说并不严重。因此，它们可用于低温 HB 工艺，但前提是与适当的促进剂结合使用以提高其催化活性。” 在这项工作中，研究人员在氢化钙 (CaH 2 ) 颗粒上制备了金属铁 (Fe) 纳米颗粒，并在其上沉积了氧化钡 (BaO) 和氢化钡 (BaH 2 )的混合物。

一组实验表明，铁纳米粒子与两种氢化物的氢阴离子强烈相互作用。结果，氢原子从氢化物移动到纳米粒子，并以氢气的形式解吸，留下电子。氢化物将这些电子提供给铁纳米粒子。它有助于将氮气分解成原子，即使在低温下也能提高氨生产的催化活性。

BaH 2 –BaO/Fe/CaH 2催化剂在100 o C和300 o C、0.9 MPa中等压力下的转换频率分别为0.23 s -1和12.3 s -1 。这些值比基于其他过渡金属的催化剂的值高几个数量级，这是由于铁能够通过在低温下将吸附的氢原子解吸为氢气来防止氢中毒。

在讨论他们工作的未来潜力时，Hara 教授指出，“BaH 2 –BaO/Fe/CaH 2催化剂促进了低温 HB 过程，该过程消耗更少的能量。因此，它可以减少化石燃料的使用，并可能降低全球碳排放量。此外，铁储量丰富且价格低廉，这使得 HB 工艺更具可持续性。”

肯定需要一种既环保又省钱的低温节能氨生产工艺!