氨是最重要的化工原料之一，主要用于制备氮肥和硝酸等化工产品。此外，由于其含氢量高、易于液化，氨也是一种储氢物质，未来有望在全球可持续能源布局中发挥重要作用。一百多年以来，工业上广泛使用哈伯-博施（Haber-Bosch）工艺大规模合成氨，大大促进了全球人口增长和社会经济发展。然而，此工艺需要高温高压（300-500 °C，100-200 atm）的{attr}3{attr}3223{/attr}1{/attr}条件，能耗巨大，而且二氧化碳排放量高。在当前以碳中和为目标的时代背景下，改进或取代传统工业固氮技术，开发绿色节能的合成氨催化剂和过程越来越引起学术界和工业界的重视。

近日，上海科技大学物质科学与技术学院管晓飞教授课题组在催化合成氨方面取得重要进展，创新性地提出了由液态合金和熔盐组成的双层全液态体系催化合成氨，并且报道了“锂基化学循环”的反应机理。首先，液态合金中的锂固氮生成氮化锂。由于密度较小，氮化锂将从下层的液态合金浮起，溶解于上层的熔融盐中，并以离子形式存在。然后，氢气再和熔盐中的氮离子反应生成氨和氢化锂。因为液态合金中的锡对氢化锂分解有促进作用，所以锂能够重新回到液态合金中，从而形成一个闭合的化学循环。不同于传统的分步化学链方法，本方案巧妙利用了密度差以及氮化锂在熔盐中的溶解和电离，使得氮气的固定和氨的合成分别在液态合金层和熔盐层自发同时进行。这种新型催化剂设计策略规避了活化能垒和吸附能之间比例关系对锂催化活性的制约，因此实现在常压下相对高效稳定地合成氨。

在这篇论文中，研究人员首先设计了分步实验验证了“锂基化学循环”过程中所涉及的反应步骤，然后详细探究了不同参数对氨气合成速率的影响，包括液态合金种类、合金中锂含量、熔盐、质子源、温度以及氮气与氢气流量比，并且确定了最佳反应条件。然后，研究人员进一步探索了反应体系的稳定性，分析影响因素，并且针对催化体系的优化和再生以及反应体系的规模化放大进行了探讨和展望。区别于传统的固态催化剂，该工作报道的液态合金—熔盐双层全液态催化体系不仅为实现高效稳定节能和分散式的合成氨反应过程提供了新思路和新技术，而且有望促进合成氨方向科学研究以及工程技术在研究对象、方法和设计方面的转变和发展。

论文信息：

Lithium-based Loop for Ambient-Pressure Ammonia Synthesis in a Liquid Alloy-Salt Catalytic System

Zujian Tang, Xian Meng, Yue Shi, Prof. Xiaofei Guan

文章作者：汤祖建，孟娴，石月，管晓飞

ChemSusChem

DOI: 10.1002/cssc.202101571