最新JACS: 介孔催化剂的”屏蔽保护”改善等离子体催化合成氨！

研究内容

等离子体催化是一种在温和条件下利用可再生能源进行分散小规模氨（NH3）合成的有前途的技术，并且显示出取代传统哈伯-博世工艺的巨大潜力。到目前为止，由于缺乏有效的催化剂和原位等离子体诱导可逆反应（NH3分解）的设计知识，这一新兴工艺仍然受到NH3收率低的困扰。

在此基础上，英国利物浦大学涂鑫教授、澳大利亚悉尼大学黄军教授和英国曼彻斯特大学范晓蕾提出了一种基于等离子体间相互作用的“屏蔽保护”催化剂设计策略以及定制介孔催化剂，以限制本体催化介电势垒放电（DBD）反应器中氨合成过程中等离子体引起的氨分解。在等离子体条件下，设计的催化剂NH3合成率达到60kJ/L，达到5%，是目前等离子体辅助NH3合成系统中最好的。相关作品发表于《by for-》标题下。

研究要点

要点1.基于这种屏蔽和保护作用，作者控制了Ni NPs在MCM-41载体上的沉积，设计了有序介孔Ni/MCM-41催化剂。分散在 MCM-41 外表面的 Ni NPs 由于其高可及性，显着有利于等离子体催化过程中 NH3 的生产。

第2点：有序介孔Ni/MCM-41催化剂可以在35°C和1 bar下有效催化等离子体生成NH3。在 60 kJ/L 时，NH3 产率为 5%。特别是，Ni活性位点沉积在MCM-41的外表面上，以增强等离子体和催化剂之间的相互作用以产生NH3。

第三点，介孔骨架上的NH3浓度梯度，使形成的NH3扩散到介孔中，从而限制了等离子体在介孔中不放电而引起的等离子体引发的可逆反应（NH3分解），即“屏蔽保护” “ ”，使反应平衡向产生更多 NH3 的方向移动。作者还对等离子体催化表面进行了全面表征和原位表征，以阐明等离子体催化氨合成的相关机制。

这一有前途的策略说明了合理设计催化剂的重要性，特别是对于改进等离子体催化过程。

学习图片和文字

图 1. (a) Ni/MCM-out、(b) Ni/MCM-both、(c) Ni/MCM-in（均处于还原态）的 HRTEM 和 PSD。

图 2. (a) Ni/MCM-out、Ni/MCM-both 和 Ni/MCM-in 的 H2-TPR 以及相应的 out (α)、类 (β) 和 in (γ) Ni 位点的 TEM。 ; (b)制备的催化剂(-a)和等离子体处理的催化剂(-p)的TPR氢消耗(当比能量输入为24kJ/L时，SEI=等离子体放电功率/气体流量)； (c) MCM-41 负载的 Ni 催化剂示意图（上）以及介孔 MCM-41 对 H2 等离子体放电中 Ni 物种的屏蔽作用。

图 3.(a) RNH3 和 NH3 产率。每个实验持续3 h）。 (b) 等离子体催化系统的转换频率 (TOF) 作为 SEI 的函数。 (c) 单独等离子体和混合系统（基于 MCM-41 载体和 Ni/MCM-41 催化剂）的对数反应速率 (ln(RNH3)) 与 1/放电功率 dbd 图。 (d) Ni/MCM-out 上的 RNH3 作为 ToS 的函数，持续 150 小时（连续采样间隔为 20 秒）。 (e) 在不同金属催化剂上使用 DBD 进行等离子体催化 NH3 合成时报告的能量产率与 NH3 浓度的关系。

图 4. (a) SiO2 和 MCM-41 上不同负载 Ni 催化剂的 NH3 合成速率与外部 Ni 位点密度（36 kJ/L、35°C 和 1 bar）。（b）单独等离子体和等离子体-催化剂系统（催化剂用量：~0.5 g，净化气体为N2/H2混合）中解吸NH3浓度和（c）相应的累积量和净化时间。 (d) NH3 在单独等离子体和等离子体-SiO2/-MCM-41 系统中的等离子体驱动分解。

图5 等离子体辅助表面反应机理及介孔MCM-41的“屏蔽保护”效果示意图。

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王、杨、徐、赵、陈、安克、

, 范,* 黄俊,* 涂鑫*

J. Am. 化学。苏克。

DOI：10.1021/jacs。