2D催化剂使氨合成变得容易

水稻科学家开发了用于小规模生产的无机工艺

莱斯大学的研究人员开发了一种无机合成氨的方法，这种方法既环保，又能在环境条件下根据需要产生有价值的化学物质。

布朗工程学院材料实验室的科学家Jun Lou操作了一个二维晶体——二硫化钼——并把它变成了一种催化剂，从晶格状结构中移除硫原子，用钴代替暴露在外的钼。

在二维二硫化钼晶体中加入钴原子来填补空位，增强了材料从二氮化铵催化氨的能力。莱斯大学的科学家们已经开发出一种“绿色”的方法，用于小规模的氨合成，这种方法比工业方法消耗更少的能源，产生更少的二氧化碳。由卢集团提供

这使得该材料能够模拟细菌将大气中的二氮转化为氨的天然有机过程，包括人类在内的有机体，都是利用氨来帮助肝功能。

作为小规模的辅助工业，这种无机工艺可以使氨在任何地方得到生产，而该工业每年通过无机Haber-Bosch工艺生产数百万吨这种化学物质。

这项研究发表在《美国化学学会杂志》上。

“Haber-Bosch过程产生了大量的二氧化碳，消耗了大量的能量，”论文的共同作者、莱斯大学研究生田晓音说。“但我们的过程是用电来触发催化剂。我们可以从太阳能或风能得到这些。”

莱斯大学研究生田晓音(左)和博士后研究员张静领导了一项研究，开发了一种基于掺杂的二维二硫化钼的无机氨催化剂。由卢集团提供

研究人员已经知道二硫化钼与二氮有亲和力，二氮是一种自然形成的分子，由两个紧密结合的氮原子组成，构成了地球大气的78%。

布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的助理研究员刘明杰(Mingjie Liu)进行的计算模拟显示，用钴取代一些暴露的钼原子，将增强这种化合物的能力，促进二氮化氢还原成氨。

莱斯大学的实验室测试证明了这一点。研究人员通过在碳布上生长有缺陷的二硫化钼晶体并添加钴来组装纳米级材料的样品。(从技术上讲，这些晶体是二维的，但在表面上是由钼原子构成的平面，其下有一层一层的硫。)在电流作用下，使用1公斤催化剂，该化合物每小时能产生10克以上的氨。

“这种规模无法与发达的工业生产过程相媲美，但在特定情况下，它可以作为一种替代方法，”该研究的联合首席作者、莱斯大学博士后研究员张静表示。“它将允许在没有工业工厂的地方生产氨，甚至在太空应用中。他说，实验室实验使用的是专用的dinitrogen饲料，但这个平台也可以很容易地把它从空气中抽出来。

卢说，其他掺杂剂可能会使材料催化其他化学物质，这是未来研究的一个主题。他说:“我们认为有机会利用我们非常熟悉的东西，尝试大自然数十亿年来一直在做的事情。”“如果我们以正确的方式设计一个反应堆，这个平台就可以不间断地运行。”

显微镜图像显示，钴掺杂二硫化钼生长在碳布上。右侧的高分辨率透射电子显微镜图像显示了掺杂的纳米片，这有助于氨的高效电化学催化。这种方法是莱斯大学的材料科学家为小规模使用而开发的。由卢集团提供

论文共同作者为水稻助理研究员郭华和研究生方启义;布鲁克海文国家实验室的吴琴;以及新加坡南洋理工大学的周家栋和刘征。

韦尔奇基金会和美国能源部科学办公室支持了这项研究。