交替磁场驱动Fe-Co@FeCoOx催化剂实现温和条件下高效合成氨的机制研究

为解决传统氨合成中氮气活化能垒高、NHx加氢动力学缓慢的问题，研究人员利用交替磁场（AMF）耦合Fe-Co@FeCoOx催化剂，在220°C常压下实现氨合成速率提升近十倍（1257 μmol g–1 h–1）。该研究揭示了AMF通过电子富集效应促进N2活化，并加速活性氢迁移，为突破氨合成动力学瓶颈提供了新策略。

　　

氨（NH₃）作为化肥和化学品的关键前体，其工业化生产每年消耗全球1-2%的化石能源。传统Haber-Bosch工艺依赖高温高压（400-500°C, 15-25 MPa），而温和条件下氮气（N₂）的高解离能（941 kJ/mol）和NH_x中间体的高加氢能垒导致反应效率低下。尽管Ru基催化剂可部分缓解此问题，但其成本高昂。如何通过非贵金属催化剂突破动力学限制，成为绿色合成氨领域的核心挑战。

陕西某研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表研究，创新性地将交替磁场（AMF）与Fe-Co@FeCoO_x催化剂结合。该团队通过共沉淀法构建了具有"李子布丁模型"结构的Fe₁Co₃合金/FeCoO_x复合相，利用X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）证实了材料中氧空位的存在。在220°C常压条件下，AMF诱导的涡流效应使催化剂表面电子密度提升3.2倍，通过Mott-Schottky异质结促进电子向FeCoO_x转移，使N₂在氧空位处的吸附能降低41%。同步辐射实验显示，AMF产生的感应电场将活性氢迁移速率提高8倍，显著降低NH_x加氢能垒。

催化剂表征
XRD证实Fe-Co@FeCoO_x中存在Fe₁Co₃合金（2θ=45.1°）和FeCoO_x氧化物相（2θ=30.6°）。XPS显示Co²⁺/Co³⁺和Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对的存在，EPR检测到g=2.003的特征信号，证实氧空位浓度达1.8×10²⁰ cm^-3。

反应性能
AMF作用下氨合成速率达1257 μmol g^-1 h^-1，是相同温度热催化反应的10倍。原位红外光谱观察到N₂H₄*中间体信号增强，证实N≡N键活化效率提升。

结论与意义
该研究首次阐明AMF通过三重机制协同增效：（1）涡流效应诱导表面电子富集；（2）Mott-Schottky结定向传输电子强化N₂吸附；（3）感应电场驱动活性氢快速迁移。这种场-催化剂耦合策略突破了传统热催化对活性中心空间排布的依赖，为开发新一代绿色合成氨技术提供了理论依据。研究获得国家重点研发计划（2022YFB4101800）和国家自然科学基金（22278337）支持。