【催化】石河子大学于锋教授课题组FCSE：低温常压下一氧化氮加氢催化合成氨- 大数跨境

X-MOL资讯

2023-10-05

导读：石河子大学碳中和与环境催化研究团队于锋教授课题组等通过研究发现以NO为氮源，采用H2作为还原剂，在Fe基催化剂的作用下，不仅可以避免NH3的使用，而且还可以有效地合成NH3

氨（NH₃）是重要的化工产品之一，世界每年合成氨的需求量约2.0亿吨左右，是氮肥、化工产品的重要原料。目前，合成氨主要采用哈伯-博施法（Haber‑Bosch Process），在Fe基催化剂作用下由氮气（N₂）与氢气（H₂）发生催化加氢反应合成氨。该方法在高温高压下完成，每年导致3亿吨碳排放，消耗的能源高达全世界能源总消耗的2%左右，迫切需要研发低能耗的合成氨新方法。

与此同时，全球烟气中含有大量的污染性气体氮氧化物（NO_x），每年排放量约5000万吨。大量的NO_x排放到大气中易于导致酸雨现象、光化学烟雾污染、破坏臭氧层等不良后果。目前，选择性催化还原（SCR）技术去除NO的脱硝效率高，是目前的主要脱硝技术之一。通常采用NH₃作为还原剂，利用NH₃-SCR将NO还原为N₂，达到减少NO_x排放的目的，但是需要消耗大量的NH₃。

图1. 合成氨与SCR脱硝的路线图

石河子大学碳中和与环境催化研究团队于锋教授课题组等通过研究发现以NO为氮源，采用H₂作为还原剂，在Fe基催化剂的作用下，不仅可以避免NH₃的使用，而且还可以有效地合成NH₃，并申请了相关专利（申请号：202210057987.5、202211473330.3）。其中，FeCu/TiO₂作为NO加氢催化合成NH₃催化剂，在350 ℃和常压下的NO转化率和NH₃选择性分别为80.0%和97.7%。与传统的哈伯-博施法相比，这种方法具有以下优势：

（1）低能耗：该反应可以在低温低压下进行，无需高温高压的反应条件，可有效减少能源消耗；

（2）避免NH₃的使用：传统的NH₃-SCR脱硝方法需要消耗大量NH₃作为还原剂，采用该方法可以用绿氢代替液氨，避免了NH₃的使用；

（3）脱硝与合成氨的耦合：该方法采用NO加氢催化合成NH₃的反应路径（即，NO氨化，NO ammoniation），与CO加氢催化制备CH₄的反应路径（即，CO甲烷化，CO methanation）“异曲同工”，实现了脱硝与合成氨的耦合，为废弃的污染气体NO“变废为宝”制备NH₃提供了新的途径。

图2. NO加氢催化合成NH₃（即，NO氨化，NO ammoniation）。

图3. 催化剂的理化特征（a）XRD谱图、（b）EPR谱图、（c）N₂吸附-解吸等温线和（d）BJH孔径分布曲线。

图4. 催化剂的XPS分析（a）Fe 2p、（b）Cu 2p、（c）O1s和（d）Ti 2p。

图5. 催化剂的性能测试（a）NO转化、（b）NH₃选择性、（c）NH₃浓度和（d）稳定性测试。

图6. 10Fe-8Cu/TiO₂催化剂的原位红外谱图：（a）在不同温度下NO在催化剂上的吸附谱图和（b）在不同温度下NO+H₂的共吸附谱图。

图7. 在10Fe/TiO₂（黑色）和10Fe-8Cu/TiO₂ （红色）催化剂表面：（a）*NO→*N+*O解离过程、（b） *NO+H→*NOH加氢过程和（c）*HNO→*NO+*H解离过程的能势和分子构型变化。

图8. 10Fe/TiO₂（黑色）和10Fe-8Cu/TiO₂（红色）表面NO形成NH₃的路径图。

这一研究成果有望为合成氨工业的可持续发展开辟新的路径，并为解决能源消耗和环境污染等问题提供了新的解决方案。相关工作在期刊Frontiers of Chemical Science and Engineering（《化学科学与工程前沿》）上发表，共同第一作者石河子大学化学化工学院研究生崔丹和李彦琴，通讯作者于锋教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：