双原子催化剂的新设计可以减少氨生产对环境的影响

氨是一种气味强烈、无色的气体，已成为农业和制药公司必不可少的化学品，每年生产和消费约2亿吨。Haber-Bosch工艺是目前可用于氨工业生产的唯一选择，但它所需的高温和高压会导致高能耗和CO2排放率。因此，研究人员一直在寻找新的节能环保合成氨方法。氮气是一种无色无味的气体，约占地球大气的78%，电催化还原被证明是一种很有前途的方法。

在科爱期刊《绿色能源与环境》上发表的一项研究中，研究人员筛选了数十种单原子和双原子催化剂，以期为二氮还原过程找到一种新的、更绿色的选择。研究作者周强，目前是一名博士。东京大学机械工程系的学生解释说：“催化剂设计是成功电催化二氮还原的最关键因素。我们知道多相催化剂，即多相催化剂，具有最高的氨产率，但我们想找出原因，然后利用这些知识来确定新的、更有效的电催化选择。”

Zhou和他的同事使用密度泛函理论(DFT)，这是一种计算量子力学建模方法，用于研究原子和分子等系统的电子结构。据周说，“它被广泛用于设计新型催化剂、支持实验结果和研究催化机理。我们知道，DFT模拟不仅可以帮助我们了解哪些催化剂效果好，而且知道它们为什么效果好。而且将帮助我们更好地了解反应过程并设计更好的催化剂。”

利用DFT计算，研究团队系统筛选和比较了数十种单原子催化剂。这为他们制定了设计双原子(非均相)催化剂的一般策略提供了重要信息。他们发现使用铁和钼混合物的双原子方法在激活二氮方面最有效。

领导该研究的中国东南大学研究员冯巩博士表示，这一发现有可能对多相催化领域产生巨大影响。他补充说：“我们希望它能为未来双原子催化剂的实验合成提供一些指导，并鼓励科学家继续探索催化反应的机制。”