钨基氮载体晶格氮迁移转化行为调控及其在化学链合成氨中的高效应用

本研究针对传统Haber-Bosch工艺高能耗、高碳排放的瓶颈，开发了具有高晶格氮转化率（73.3%）的W2 N氮载体（NC），通过温度调控（600–850°C）实现晶相演变（W2 N→W）与氨产率提升（594 μmol g?1 h?1 ），为绿色化学链合成氨（CLAS）技术提供了新型过渡金属NC设计策略。

　　

在全球碳中和背景下，氨（NH₃
）作为零碳燃料的战略地位日益凸显。然而，传统Haber-Bosch工艺依赖化石能源制氢，需高压（150–200 bar）、高温（400–500°C）条件，且存在H₂
/N₂
竞争吸附的致命缺陷。化学链合成氨（CLAS）技术通过空间-时间解耦的氮载体（NC）循环反应，有望突破这一百年困境。但现有NC普遍存在晶格氮转化率低（<50%）的难题，其机制不清成为制约CLAS发展的关键瓶颈。

针对这一挑战，中国研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，首次系统揭示了W₂
N基NC的晶格氮迁移转化规律。通过尿素热解法合成W₂
N载体，结合变温XRD、TG-DSC等多尺度表征技术，发现反应温度可通过调控NC晶相转变（W₂
N→W）显著提升晶格氮转化效率。在800°C实现594 μmol g^?1
h^?1
的氨产率，同时晶格氮转化率突破73.3%，较传统Mn基载体（3.5%）提升20倍。

关键方法

1. 氮载体合成：以WO₃
   为钨源、尿素为氮源，通过程序升温热解法制备W₂
   N；
2. 变温晶相分析：采用XRD追踪600–850°C温度区间内W₂
   N→W的相变过程；
3. 性能评价：固定床反应器测试不同温度下氨产率与晶格氮转化率。

研究结果
Preparation of W₂
N NC
热重分析显示前驱体在500–800°C失重仅8.9%，表明尿素分解完全，成功获得高纯度W₂
N。

Characterization of W₂
N
XRD证实温度梯度诱导晶相演变：600°C为纯W₂
N相→750°C出现W相混晶→850°C完全转化为金属W，该过程与晶格氮释放呈正相关。

Conclusions
温度升高通过两步机制促进氮迁移：①600–750°C时W₂
N中弱键合氮优先释放；②>750°C时W相形成加速强键合氮解离。循环实验证实W₂
N在5次循环后仍保持稳定结构。

这项研究不仅为CLAS提供了高性能钨基NC，更首次阐明温度-晶相-氮转化率的构效关系。通过精准调控W₂
N的金属-氮键强度，实现了晶格氮的高效活化，为设计"氮空位（N-vacancy）"可控的下一代NC奠定理论基础。该成果对推动分布式绿色合成氨技术产业化具有重要指导意义。