稀土元素掺杂铈酸钡负载钴催化剂：氨合成的创新突破

为解决传统哈伯 - 博施法（H-B）合成氨能耗高、依赖化石燃料及碳排放大等问题，研究人员开展稀土元素掺杂铈酸钡负载钴催化剂用于氨合成的研究。结果表明钐是最有效掺杂剂，该研究为设计钙钛矿负载钴催化剂提供有效途径。

　　在当今世界，粮食生产离不开化肥，而氨作为生产化肥的重要原料，其合成过程却面临着诸多难题。目前，工业上主要采用哈伯 - 博施（Haber - Bosch，H - B）法合成氨，这种方法需要将空气中的氮气与主要来源于化石燃料的氢气相结合，在高温（400 - 500°C）、高压（15 - 30MPa）的条件下进行反应，不仅能耗巨大，而且对化石燃料的依赖程度高，会产生大量的碳排放。随着全球对环保要求的日益提高，减少工业碳足迹迫在眉睫，因此 “绿色氨” 的发展逐渐受到关注。“绿色氨” 利用可再生能源、水和从空气中捕获的氮气来生产，能够实现零二氧化碳排放。然而，向 “绿色氨” 转型并非一帆风顺，与传统氨生产相比，其成本更高，并且由于可再生资源的供应不稳定，导致原料条件波动较大。

与此同时，当前工业上使用的铁基催化剂（promoted - Fe）为了达到足够的反应速率，需要在苛刻的条件下运行，这不仅带来了高昂的能源成本，还对环境造成了严重影响。在这样的背景下，开发能够在更温和条件下运行的新型催化剂成为了科研人员的重要研究方向。因为新型催化剂若能降低反应所需的温度和压力，就能显著减少能源消耗和碳排放，让氨生产更加经济、环保。

基于以上问题，华沙理工大学（Warsaw University of Technology）的研究人员开展了一项关于稀土元素掺杂铈酸钡（BaCeO₃）负载钴催化剂用于氨合成的研究。该研究成果发表在《Catalysis Today》上，具有重要的意义。它为设计钙钛矿负载钴催化剂提供了有效途径，有望推动氨合成领域向更绿色、高效的方向发展，使氨合成在满足全球农业需求的同时，减少对环境的负面影响，为实现可持续发展目标做出贡献。

研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。其中包括 X 射线粉末衍射（XRD）技术，用于分析样品的晶体结构；扫描透射电子显微镜（STEM）结合能量色散 X 射线光谱（EDX），能够观察催化剂的微观结构并确定元素分布；程序升温脱附（TPD）技术，则用于研究催化剂表面的吸附和脱附性能 。

筛选催化剂

研究人员首先进行筛选催化剂的工作。他们利用 N₂物理吸附和 X 射线衍射对获得的载体进行表征。结果发现，所有的载体都是低比表面积且孔隙率较差的材料，其中 BaCeO₃（BC）载体的比表面积在所有样品中最低。不过，引入钕（Nd）、钐（Sm）、钆（Gd）等掺杂剂后，无论哪种掺杂剂，都能使载体的 BET 比表面积增加 。

结论

研究人员通过共沉淀法制备了稀土掺杂的铈酸钡（BaCe_{1 - x}REE_xO_{3 - δ}，REE = Nd，Sm，Gd；x = 0.05 - 0.3），并用于合成氨合成反应的钴催化剂。研究发现，将稀土掺杂剂掺入铈酸钡氧化物晶格（x 最高可达 0.15）能够提高氨合成反应速率。而且，钐被确定为最有效的掺杂剂，其次是钆和钕。Co/BaCe_0.9REE_0.1O_{3 - δ}催化剂性能优异，是因为稀土掺杂剂掺入 BaCeO₃结构后，增加了电子密度，使得电子能够从载体高效转移到钴表面，促进了氨合成速率决定步骤（RDS）——N₂的解离吸附。此外，该催化剂还具有良好的氢吸附性能（存在弱吸附位点和强吸附位点），有助于在反应条件下有效激活氢气。

总的来说，这项研究深入探讨了稀土元素掺杂对铈酸钡负载钴催化剂的影响。从研究结果来看，明确了不同稀土掺杂剂的效果差异，找到了最佳掺杂浓度，揭示了催化剂性能提升的内在机制。这不仅为氨合成催化剂的设计提供了新的思路，也展示了钙钛矿负载钴催化剂作为下一代氨合成催化剂的巨大潜力，为氨合成工艺的优化和绿色化发展奠定了重要基础，有望在未来工业生产中得到广泛应用，推动氨合成领域的技术革新。