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記者12月27日從西湖大學(xué)獲悉，該校人工光合作用與太陽(yáng)能燃料中心在合成氨催化機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展。

在這項(xiàng)研究中，科研人員通過(guò)理論計(jì)算揭示了鐵磁-順磁相變對(duì)鐵磁金屬催化性能的影響機(jī)制，提出了進(jìn)一步優(yōu)化合成氨活性的理論新策略，為未來(lái)設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的催化劑提供了重要參考。研究成果日前發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》期刊上。

“合成氨對(duì)于人類生產(chǎn)生活意義重大，氨是農(nóng)業(yè)中生產(chǎn)化肥的重要原料，也是工業(yè)中制備精細(xì)化學(xué)品的關(guān)鍵氮源，更是可持續(xù)能源框架中的理想無(wú)碳燃料和氫氣載體。”課題負(fù)責(zé)人王濤教授說(shuō)，然而工業(yè)界常用的大規(guī)模合成氨的傳統(tǒng)技術(shù)——哈伯法，每年會(huì)間接導(dǎo)致約3億噸二氧化碳排放，同時(shí)消耗全球約2%的能源，能耗和運(yùn)營(yíng)成本極高。

若想降低合成氨的碳排放和成本，途徑之一是提高反應(yīng)效率，王濤團(tuán)隊(duì)將目光投向改進(jìn)金屬催化劑本身。

王濤介紹，在催化領(lǐng)域，薩巴蒂爾規(guī)則定義了理想催化劑的黃金標(biāo)準(zhǔn)，即催化劑-反應(yīng)物種的作用力要恰到好處：若作用太強(qiáng)，產(chǎn)物將難以脫附;若作用太弱，反應(yīng)物則無(wú)法被催化劑有效活化。

在一次計(jì)算中，研究人員意外發(fā)現(xiàn)，原本帶磁性的金屬通過(guò)合金化后，出現(xiàn)磁性消失的現(xiàn)象。這意味著，部分金屬擁有鐵磁-順磁相變的情況?！白鳛橐环N電子交換-關(guān)聯(lián)作用，磁性變化也會(huì)體現(xiàn)為體系電子結(jié)構(gòu)的變化，而催化劑的電子結(jié)構(gòu)決定了其與反應(yīng)物的吸附強(qiáng)度。因此，磁性變化可以影響整體反應(yīng)的活性?！蓖鯘忉?。

通過(guò)計(jì)算，王濤團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在相同反應(yīng)條件下，使用順磁性鈷和鎳作為催化劑的氨合成，效率比相應(yīng)鐵磁性狀態(tài)下高出100-10000倍;而用順磁性的鈷代替釕作為催化劑，則有可能使反應(yīng)活性增加10倍，同時(shí)，催化劑成本可降低400倍。未來(lái)，王濤團(tuán)隊(duì)將聯(lián)合其他團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一理論并推向?qū)嶋H應(yīng)用。

“該研究融合了化學(xué)、物理和材料科學(xué)中經(jīng)典原理、反應(yīng)和理論，為重新審視鐵磁材料的順磁相在多相催化中的催化性能開(kāi)辟一條新的途徑，或?yàn)槲磥?lái)設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的催化劑提供重要理論參考?！蓖鯘f(shuō)。

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