綠氨，這種燃燒后只產(chǎn)生氮氣和水的“零碳”燃料，被視為儲存綠氫的理想載體，正成為能源轉(zhuǎn)型的新熱點。北京大學化學與分子工程學院的沈興海教授團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，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。

　　沈興海團隊一直從事放射化學與其他前沿科技領(lǐng)域的交叉研究，此次團隊構(gòu)建出一種鈾-石墨炔復(fù)合催化劑。鈾原子以微小團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氣分子匹配，這種結(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)與光學帶隙的變化規(guī)律，為催化性能精準調(diào)控提供了科學依據(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587.5微摩爾每克每小時，還具備良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

　　團隊還發(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，其獨特的5f電子軌道在催化方面的潛力鮮少被挖掘。研究團隊的發(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、新型二維碳材料領(lǐng)域的發(fā)展均產(chǎn)生了積極影響;同時也是放射化學與催化科學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)略貢獻力量。