綠氨，這種燃燒后只產(chǎn)生氮?dú)夂退摹傲闾肌比剂希灰暈閮Υ婢G氫的理想載體，正成為能源轉(zhuǎn)型的新熱點(diǎn)。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院的沈興海教授團(tuán)隊巧妙地利用特殊的二維碳材料石墨炔，與核工業(yè)中的“邊角料”貧鈾相結(jié)合，成功研發(fā)出一種全新的復(fù)合催化劑，可在溫和條件下高效催化合成氨。相關(guān)成果于近日發(fā)表于《自然?通訊》。

為推動能源體系低碳轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)，我國已明確提出綠氨摻燒計劃，即10%的煤炭將用綠氨替代。然而，制取綠氨的關(guān)鍵工藝為沿用百年的哈伯-博施法，需要在高溫高壓下進(jìn)行，每噸綠氨的成本比用化石能源生產(chǎn)出來的氨高出兩倍以上。

“綠氨成本下降需從新一代柔性工藝入手，其關(guān)鍵在于高性能催化劑的開發(fā)，以實現(xiàn)溫和條件下氨的高效熱催化合成。 “沈興海告訴科技日報記者。

沈興海團(tuán)隊一直從事放射化學(xué)與其他前沿科技領(lǐng)域的交叉研究，此次團(tuán)隊構(gòu)建出一種鈾-石墨炔復(fù)合催化劑。鈾原子以微小團(tuán)簇的形式分散在石墨炔上，相鄰鈾原子之間的距離恰好和一個氮?dú)夥肿悠ヅ洌@種結(jié)構(gòu)使得氮分子能夠以“橋式吸附”模式被高效捕獲和活化，為后續(xù)加氫反應(yīng)奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊以超臨界二氧化碳為介質(zhì)，篩選出最佳反應(yīng)條件，成功實現(xiàn)了單層和少層石墨炔的可控合成，還摸清了其層數(shù)與光學(xué)帶隙的變化規(guī)律，為催化性能精準(zhǔn)調(diào)控提供了科學(xué)依據(jù)。

這款新型催化劑表現(xiàn)亮眼，在150℃、15個大氣壓的溫和條件下，產(chǎn)氨速率達(dá)587.5微摩爾每克每小時，還具備良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，鈾的5f電子與石墨炔的共軛結(jié)構(gòu)產(chǎn)生獨(dú)特電子相互作用，讓氮分子的識別、轉(zhuǎn)化和產(chǎn)物氨分子的釋放更高效，催化過程兼具高選擇性與高效率。此前，鈾元素的研究多集中在核燃料領(lǐng)域，其獨(dú)特的5f電子軌道在催化方面的潛力鮮少被挖掘。研究團(tuán)隊的發(fā)現(xiàn)，意味著核能領(lǐng)域的“邊角料”貧鈾，有望搖身一變成為高價值的催化劑材料。

沈興海表示，這項工作對錒系元素化學(xué)、新型二維碳材料領(lǐng)域的發(fā)展均產(chǎn)生了積極影響；同時也是放射化學(xué)與催化科學(xué)交叉融合的一次成功探索，破解了綠氨產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題，為打造綠色燃料“新名片”、實現(xiàn)新時期國家能源安全戰(zhàn)略貢獻(xiàn)力量。