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黄博团队JACS: 常压低温热催化实现NO合成氨近100%收率

邃瞳科学云

2025-08-11

导读：本研究制备了均匀分散的OsxPt1-x/γ-Al2O3固溶体催化剂，在温和条件下实现了高效NO合成氨。Os0.1Pt0.9/γ-Al2O3催化剂在常压200°C下NO合成氨性能优异，氨产率高达97%。

第一作者：秦莹

通讯作者：黄博

通讯单位：西安交通大学化学工程与技术学院

论文DOI：https://doi.org/10.1021/jacs.5c11515

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近日，西安交通大学化工学院黄博团队用一氧化氮（NO）作反应物在温和条件合成氨领域取得突破性研究成果。研究团队创新性地开发了一种热催化NO合成氨反应解决合成氨工艺条件苛刻、氮氧化物污染严重等问题。研究团队制备了固溶体型Os_xPt_1-x/γ-Al₂O₃催化剂用于NO合成氨反应，该催化剂表现出优异的性能，在常压200°C时的氨产率均超过80%，其中Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃的氨产率高达97%，较传统哈伯法合成氨工艺条件更温且产率更高。在Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃催化剂上，NO和H₂分别在Os和Pt位点上快速解离并耦合，与Pt/γ-Al₂O₃相比，优化了反应路径，从而实现了更高的氨产率。

背景介绍

氨是重要的化学品，被广泛应用于农业、化学工业、制药工业、材料制造、氢气储存等领域。目前，工业上主要采用的哈伯法合成氨，由于氮气分子键能高，活化困难，需在苛刻的条件下进行（400-500 °C，10-30 MPa），且效率较低，氨产率仅有15-20%，哈伯法合成氨每年能耗约占全球能耗的2%。因此，开发比哈伯法更高效且操作条件更温和的合成氨方法具有重要意义。

哈伯法合成氨工艺的苛刻反应条件和低效问题源于氮气分子的高度稳定性。若以更易活化的NO替代氮气作为氮源，则有望在温和条件下实现高效合成氨。现有研究表明，用H₂还原NO可生成NH_x中间物种或少量NH₃副产物，但在温和条件下实现以NH₃为主产物的高效NO合成氨具有极大挑战。

本文亮点

1. 低温常压NO合成氨产率接近100%

Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃固溶体催化剂在常压200 °C下NO合成氨的氨产率达97%，产氨速率达296 mmol·g_metal^-1·h^-1，高于单金属Pt/γ-Al₂O₃催化剂。

2. 高反应稳定性展现工业化应用前景

Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃固溶体催化剂在常压200 °C下反应48小时后，NO合成氨的氨产率基本不变，具有较高反应稳定性，展现出一定的应用前景。

3. 双反应位点耦合促进氨的生成

原位红外（FTIR）及密度泛函理论计算（DFT）表明，与Pt/γ-Al₂O₃上NO氢辅助解离路径相比，Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃催化剂上NO直接解离，后与Pt位点上解离生成的活性氢反应生成氨，反应活化能更低，氨生成效率更高。

图文解析

尽管Os本身具有较低的NO还原活性，在常压200 °C下，各Os_xPt_1-x/γ-Al₂O₃催化剂及Pt/γ-Al₂O₃催化剂的氨产率均高于80%，其中Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃催化剂的氨产率达97%，产氨速率达296 mmol·g_metal^-1·h^-1，高于单金属Pt/γ-Al₂O₃催化剂。并且，Os_xPt_1-x/γ-Al₂O₃催化剂随着Pt含量的减少，氨产率逐渐下降，证明了Pt作为H₂解离活性位点在NO合成氨中占据重要作用。Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃催化剂的氨产率随温度升高近乎线性增加，即NO合成氨过程中温度也是影响氨产率的重要因素。

图1. （a）常压200 °C下Os_xPt_1-x/γ-Al₂O₃催化剂的NO合成氨活性。（b）常压下Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃催化剂的氨产率与温度之间的关系。

在Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃催化剂上NO吸附在Os位点上，且在Os/γ-Al₂O₃及Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃催化剂上出现少量N₂O，证明室温下NO在Os位点上解离，Pt/γ-Al₂O₃催化剂上并未观察到。H₂气氛下Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃催化剂上生成的Pt-H物种直接证明了H₂在Pt位点上的解离。Pt/γ-Al₂O₃及Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃催化剂上均观察到明显的氨物种生成。

图2. 室温下（a）Pt/γ-Al₂O₃、（b）Os/γ-Al₂O₃及（c）Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃催化剂的原位红外谱图。

DFT计算表明Pt/γ-Al₂O₃催化剂上NO以氢辅助方式进行解离，生成HNOH*中间物种，反应决速步为HNOH*的解离（E_a=0.72 eV）；Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃催化剂上NO在Os位点上直接解离，与Pt位点上解离生成的H*反应生成氨，反应决速步为NH₂*的生成（E_a=0.53 eV）。与Pt/γ-Al₂O₃相比，Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃催化剂上反应活化能更低，反应更快，氨产率更高。

图3. （a）NO合成氨反应自由能图。（b）Pt及（c）Os_0.1Pt_0.9上NO合成氨机理。

总结与展望

本研究制备了均匀分散的Os_xPt_1-x/γ-Al₂O₃固溶体催化剂，在温和条件下实现了高效NO合成氨。Os_0.1Pt_0.9/γ-Al₂O₃催化剂在常压200°C下NO合成氨性能优异，氨产率高达97%，氨合成速率达296 mmol·g_metal^-1·h^-1。原位红外及密度泛函理论分析表明NO和H₂分别在Os和Pt上快速解离并耦合，这是实现超高氨产率的关键机制。相较于传统哈伯法合成氨，该过程不仅反应条件更加温和，而且产率显著提升，为绿色合成氨提供了极具前景的替代方案，同时为氮循环的可持续发展开辟了新途径。

文献信息

题目：Nitric Oxide-to-Ammonia Synthesis with Nearly 100% Yield by Ambient-Pressure Thermocatalysis under Mild Temperature

作者介绍

秦莹，西安交通大学黄博教授课题组博士研究生，研究方向为新型纳米合金材料的制备及其在环境和能源催化方面的研究。

黄博，西安交通大学副教授、博士生导师，京都大学博士后。长期致力于新型纳米合金材料的制备及其在环境和能源催化方面的研究。陕西省青年千人学者，陕西省秦创原人才，担任陕西省科学家+工程师团队负责人、陕西纳米科技学会理事等学术职务。以第一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed. 等SCI期刊上发表论文30余篇，授权国际发明专利1项，中国发明专利2项，申请中国发明专利数十项。担任《Frontiers in Environmental Chemistry》等期刊编委。