碱金属掺杂Ru/MgO催化剂的一步球磨法制备及其在氨分解制氢中的结构与电子协同促进作用

为解决氨分解制氢中Ru催化剂分散性与电子态调控难题，研究人员通过一步干法球磨制备K/Rb/Cs掺杂的Ru/MgO催化剂。该策略显著抑制RuO2聚集，形成2-3 nm富B5位点的电子富集Ru纳米颗粒，使2K-3%Ru/MgO在400°C实现11.5 mmol-NH3 gcat?1 min?1的高活性，为设计高效制氢催化剂提供新思路。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为零碳能源载体面临储存与运输的技术瓶颈。氨（NH₃）因其17.8 wt%的高储氢密度和易液化特性成为理想氢载体，但其催化分解需要高效低温催化剂。钌（Ru）虽是最高效的氨分解催化剂，但传统制备方法步骤繁琐，且Ru纳米颗粒的分散度与电子态调控直接影响B₅活性位点密度和氮重组效率。针对这一挑战，福州大学的研究团队在《Journal of Catalysis》发表研究，开发了一种革命性的一步干法球磨技术，成功制备出碱金属（K/Rb/Cs）掺杂的Ru/MgO催化剂，揭示了碱金属对Ru的结构与电子双重促进作用。

研究采用X射线吸收谱（XAS）、高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）和原位漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）等技术。通过球磨混合醋酸钌、醋酸镁与碱金属醋酸盐前驱体，经焙烧还原获得催化剂，利用ICP-OES测定实际Ru负载量，结合CO₂-TPD分析碱性位点分布。

催化剂表征
HAADF-STEM显示碱金属掺杂使Ru粒径控制在2-3 nm，接近理论最优B₅位点密度尺寸。XAS证实Ru-O-碱金属的强相互作用稳定了高分散RuO_x物种，抑制焙烧过程中RuO₂的烧结。

电子效应分析
XPS与DRIFTS表明K/Rb/Cs通过氧桥键向Ru转移电子，形成电子富集态Ru纳米颗粒，削弱Ru-N键能，加速氮脱附动力学。CO₂-TPD证实碱金属提升MgO表面碱性，促进NH₃活化。

催化性能
2K-3%Ru/MgO在400°C、30,000 mL g_cat^?1 h^?1条件下实现11.5 mmol-NH₃ g_cat^?1 min^?1的反应速率，475°C稳定运行50小时无失活，性能优于多数文献报道的Ru基催化剂。

该研究创新性地阐明碱金属通过结构限制和电子捐赠的双重作用机制：一方面通过空间位阻效应抑制Ru聚集，优化B₅位点分布；另一方面通过电子调制降低氮脱附能垒。一步球磨法将传统多步合成工艺简化为单步操作，为工业化制备高效氨分解催化剂提供新范式。研究成果不仅深化了对金属-促进剂相互作用的理解，更为设计下一代能源转化催化剂开辟了新路径。