氮气助催化剂作用的新发现

氮气占空气的五分之四,因其丰富、价廉及显著的化学惰性等特点,被广泛用作催化反应的载气或保护气体。在国家自然科学基金资助下,我系段昊泓、李隽和牛津大学E. TsangD. O’Hare等团队通过实验和理论研究,首次发现氮气可作为助催化剂,显著提高负载的钌金属团簇催化生物质加氢脱氧的反应速率(图1)。相关工作近日以“氮气分子助力催化加氢脱氧反应”为题发表在英国《自然-催化》杂志上(Duan, H. et al. Nature Catalysis, 2019, 2, 1078–1087)。

 

1:氮气分子在温和条件下在负载的钌团簇表面加氢形成NNHNNHx 物种,从而作为助催化剂加速生物质的加氢脱氧反应

 

通过实验和理论研究,他们发现氮气在钌团簇上借助于低能垒的N2+H-RàNNH+R缔合机理被活化生成NNHNNHx等氮氢物种,这些表面物种可提供高活性的质子氢,从而加速芳香环上碳-氧键断裂的加氢脱氧反应,实现氮气加氢活化和生物质分子加氢脱氧两类反应的高效耦合。该项研究工作表明,化学上极其惰性的氮气在相对温和的反应条件下已经有可能参与化学反应或作为催化剂改变反应速率。上述发现为探索温和条件下的氮气活化提供了重要启示,为进一步推动小分子在金属纳米粒子和团簇上的催化研究具有重要意义。

该论文发表后,引起了催化科学领域的广泛兴趣。美国化学会《化学与工程新闻》、英国皇家化学会《化学世界》、国家自然科学基金委等均对此项成果给予新闻报道,英国《自然-催化》和我国《国家科学评论》杂志也对此论文进行了亮点报道。

相关论文及新闻链接如下

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0368-6 (Duan, H. et al. Nature Catalysis, 2019, 2, 1078–1087)

https://cen.acs.org/synthesis/catalysis/N2-speeds-hydrogenation-Ru-surface/97/i43?utm_source=LatestNews&utm_medium=LatestNews&utm_campaign=CENRSS (Chem. & Eng. News)

https://www.chemistryworld.com/news/chemists-taken-aback-as-dinitrogen-found-to-speed-up-some-reactions/4010609.article (Chemistry World)

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0399-z (T. J. Schwartz, Nature Catalysis, 2019, 2, 1060–1061).

https://academic.oup.com/nsr  (Liu Haichao, He Mingyuan, National Science Review, 2019, in press).

http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab434/info77194.htm (国家自然科学基金委)