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科技日报记者 刘园园
记者12月27日从西湖大学获悉，该校人工光合作用与太阳能燃料中心在合成氨催化机理研究方面取得新进展。
在这项研究中，科研人员通过理论计算揭示了铁磁-顺磁相变对铁磁金属催化性能的影响机制，提出了进一步优化合成氨活性的理论新策略，为未来设计性能优异的催化剂提供了重要参考。研究成果日前发表在《美国化学会志》期刊上。
“合成氨对于人类生产生活意义重大，氨是农业中生产化肥的重要原料，也是工业中制备精细化学品的关键氮源，更是可持续能源框架中的理想无碳燃料和氢气载体。”课题负责人王涛教授说，然而工业界常用的大规模合成氨的传统技术——哈伯法，每年会间接导致约3亿吨二氧化碳排放，同时消耗全球约2%的能源，能耗和运营成本极高。
若想降低合成氨的碳排放和成本，途径之一是提高反应效率，王涛团队将目光投向改进金属催化剂本身。
王涛介绍，在催化领域，萨巴蒂尔规则定义了理想催化剂的黄金标准，即催化剂-反应物种的作用力要恰到好处：若作用太强，产物将难以脱附；若作用太弱，反应物则无法被催化剂有效活化。
在一次计算中，研究人员意外发现，原本带磁性的金属通过合金化后，出现磁性消失的现象。这意味着，部分金属拥有铁磁-顺磁相变的情况。“作为一种电子交换-关联作用，磁性变化也会体现为体系电子结构的变化，而催化剂的电子结构决定了其与反应物的吸附强度。因此，磁性变化可以影响整体反应的活性。”王涛解释。
通过计算，王涛团队发现，在相同反应条件下，使用顺磁性钴和镍作为催化剂的氨合成，效率比相应铁磁性状态下高出100-10000倍；而用顺磁性的钴代替钌作为催化剂，则有可能使反应活性增加10倍，同时，催化剂成本可降低400倍。未来，王涛团队将联合其他团队通过实验验证这一理论并推向实际应用。
“该研究融合了化学、物理和材料科学中经典原理、反应和理论，为重新审视铁磁材料的顺磁相在多相催化中的催化性能开辟一条新的途径，或为未来设计性能优异的催化剂提供重要理论参考。”王涛说。
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