二维催化剂可轻松合成氨

 
添加钴原子以填充2D二硫化钼晶体中的空位，可增强材料从二氮中催化氨的能力。赖斯大学的科学家开发了一种“绿色”方法，用于氨的小规模合成，与工业过程相比，它消耗的能源更少，二氧化碳更少。图片来源：Lou Group / Rice University莱斯大学莱斯大学的研究人员已经开发出一种无机方法来合成氨，这种方法既环保又可以在环境条件下按需生产有价值的化学物质。
布朗工程学院材料实验室的科学家Jun Lou操纵了一个众所周知的二维晶体-二硫化钼-并通过从晶格状结构中去除硫原子并用钴代替了暴露的钼，将其转变为催化剂。
这使得该材料能够模仿自然有机过程细菌所使用的细菌，这些细菌用来将大气中的二氮转化为生物体中的氨，包括使用氨来帮助肝脏功能的人体。
无机工艺可以使氨作为工业的小规模附件在任何需要的地方生产，该工业每年通过无机Haber-Bosch工艺生产数百万吨的化学品。
这项研究在《美国化学学会杂志》上有描述。
共同主要作者，莱斯大学的研究生田小银说：“哈伯-博世过程会产生大量的二氧化碳并消耗大量的能量。” “但是我们的过程使用电来触发催化剂。我们可以从太阳能或风能中获取电能。”
研究人员已经知道，二硫化钼具有与二氮键结合的亲和力，二氮是两个牢固结合的氮原子的天然分子，占地球大气的78%。
显微镜图像显示了在碳布上生长的掺钴二硫化钼。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。莱斯大学的材料科学家开发了该方法供小规模使用。图片来源：Lou Group / Rice University Brookhaven国家实验室的研究助理Liu Mingjie Liu进行的计算模拟显示，用钴代替一些暴露的钼原子将增强该化合物促进二氮还原为氨的能力。
在赖斯的实验室测试表明确实如此。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，晶体为二维晶体，​​但表现为钼原子的平面，上方和下方都有硫层。)施加电流后，使用1千克催化剂，该化合物每小时可产生10克以上的氨。
赖斯大学的研究生田小寅(左)和博士后研究员张静(Jing Zhang)领导了开发基于掺杂的二维二硫化钼的氨的无机催化剂的工作。赖斯大学博士后研究员，共同首席作者张静说：“规模无法与发达的工业过程相提并论，但在特定情况下可以替代。” “它将允许在没有工厂的地方，甚至在太空应用中生产氨。”他说，实验室实验使用了专用的二氮进料，但该平台可以轻松地将其从空气中拉出。
娄说，其他掺杂剂可能使这种材料催化其他化学物质，这是未来研究的主题。他说：“我们认为这里是一个机会，可以采取我们非常熟悉的东西，并尝试做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反应堆，那么平台就可以不间断地执行其功能。”