UCF研究人员发现可持续氨生产的关键机制

中央佛罗里达大学的一个研究小组与弗吉尼亚理工大学的合作者发表了关于氨的电化学合成、推进可持续肥料研究并从而帮助全球食品安全工作的重要发现。

氨是氮和氢的化合物，是许多用于粮食生产的化肥的基本成分。然而，其主要生产方法 Haber-Bosch 方法是能源和燃料密集型的，消耗了世界天然气产量的 3% 至 5%，占全球碳排放量的 1% 以上。

研究人员使用金属钌作为催化剂，确定了通过更可持续的生产方法(电化学)生产氨的最有效方法。研究人员说，当使用来自太阳能或风能等可再生能源的电力为电化学合成提供动力时，这种生产方法可以更具可持续性。

研究结果最近发表在ACS Energy Letters上。

研究人员说，虽然有许多关于电化学氨生产的研究工作，但其潜在机制尚未得到更好的理解。

然而，这项新研究有助于更清楚地了解反应机制，该研究的合著者、UCF物理系教授 Xiaofeng Feng 说

“这项深入工作的结果可以为研究人员提供重要指导，指导他们如何设计更高效的催化剂来实现可持续的氨生产，”冯说。

他们是如何工作的

钌与反应中间体的最佳结合强度使其成为氮还原反应最活跃的催化剂之一，该反应通过将氮与水分子中的氢结合产生氨。

使用原子层沉积，研究人员能够在原子尺度上非常精确地控制合成的纳米材料，从而可以测试 2 到 8 纳米的钌纳米粒子。

研究人员发现，虽然将钌原子分层形成催化结构，但钌表面原子的特殊排列——称为 D 5阶跃位点——是电化学氮还原反应最活跃的位点。

与其他位点不同，D 5阶梯位点拥有“完美平衡”，有利于 N 2 H 中间体的形成，不会被 NH 2中间体毒化，或无法让新分子吸附和反应，研究人员说。

因此发现尺寸约为 4 纳米的钌纳米颗粒对氮还原反应具有最佳催化性能。活性在四纳米处达到峰值，然后随着粒径加倍而下降五倍，证明了钌粒径对催化作用的关键影响。

研究人员之前在提高氨电化学生产效率方面的工作通过提供机理理解和研究方法帮助了当前的研究。

合作研究

这项新研究是三个研究团队之间的合作。

冯和他的学生对钌样品进行了表征，并将它们作为电化学生产氨的催化剂进行了研究。该研究的共同作者、UCF材料科学与工程系教授 Parag Banerjee和他的学生在 Banerjee 的实验室专注于钌金属纳米粒子的精确合成。

此外，弗吉尼亚理工大学教授 Hongliang Xin 和他的学生进行了计算研究，以建模和识别负责最高催化性能的原子结构。

Feng 说，研究人员计划进一步合作，利用原子层沉积开发更复杂、更高效的材料，以实现可持续的氨生产。

他们还将在先进的电解装置中使用催化剂材料，以提高电动氨生产的产率和效率。

研究员证书

冯于2013年在加州大学伯克利分校获得材料科学与工程博士学位，并于2016年加入UCF，担任物理系助理教授。他实验室的研究得到了国家科学基金会职业奖的资助。

班纳吉于 2011 年获得马里兰大学材料科学与工程博士学位，并于 2018 年加入 UCF。