李隽课题组在团簇催化合成氨理论研究中取得重要进展

我系李隽教授课题组近期在利用表面单团簇催化合成氨的理论研究工作中取得重要进展。相关研究成果发表在《自然-通讯》和《美国化学会志》上(Nat. Commun. 2018, 9, 1610;J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 46)。刘锦程与马雪璐分别是上述论文的第一作者。

 

1. 1)传统的金属表面上高温高压合成氨(N2 à 2 N*);(2)在异相催化剂表面构建单团簇中心合成氨(N2 + H à *NNH);(3)固氮酶活性中心上常温常压合成氨(N2 + H+ + e- à *NNH)

 

人工合成氨是科学史上的里程碑之一。一百多年来,工业合成氨需要高温高压的苛刻条件,而自然界的生物固氮是在常温常压下进行的。因此高效的人工模拟生物固氮成为催化化学领域的圣杯。李隽教授课题组在多年研究的基础上,提出了“表面团簇催化”(Single-Cluster Catalysis)的新概念,首次揭示了表面上稳定的孤立双金属团簇催化剂上合成氨的可行性及其微观机理(图1)。研究发现,与目前工业催化合成氨过程中高温高压下直接打开NoN三重键不同,在表面团簇上N2可以在温和条件下直接加氢生成NNH中间体,这一新反应机理与自然界的生物固氮过程相似。通过在异相催化剂表面构建类似于均相的单团簇活性中心,他们的新方法突破了合成氨过程中著名的Br?nsted–Evans–Polanyi (BEP) 关系的限制,提供了一种新型的合成氨反应的催化方法。

上述研究成果对在温和条件下催化合成氨的实验研究具有重要的理论指导意义。欧洲《ChemistryViews》和国家自然科学基金委对此项研究进行了亮点报道。

相关文献及报道参见:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b10354

https://www.nature.com/articles/s41467-018-03795-8

http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab434/info73763.htm

http://www.chemistryviews.org/details/news/10746715/Catalyst_for_N2-to-NH3_Thermal_Conversion.html