基于第一性原理与数据驱动的氨分解催化剂筛选与设计：揭示能量权衡机制

【编辑推荐】本研究通过密度泛函理论（DFT）计算与反应器实验相结合，揭示了NH3分解过程中N–H键断裂能（Ediss,NH3）与N2吸附能（Ead,N2）的火山型关系，证实Ru为最优单金属催化剂，并创新性提出Ru-Ni双金属合金的协同效应，为低成本高效制氢提供了新策略。

　　

Highlight

本研究通过计算筛选与自由能分析的双重策略，揭示了NH₃分解催化剂的能量权衡机制。皮尔逊相关系数分析显示，NH₃解离能（E_diss,NH3）与N₂吸附能（E_ad,N2）呈火山型关系，其中Ru凭借最优的N–H键断裂与N₂脱附平衡能力，成为单金属催化剂中的佼佼者。反应器测试中，Ru/CeO₂展现出最高的NH₃转化率，其周转频率（TOF）与活化能（E_a）显著相关。

Computational screening

NH₃分解的关键步骤因金属类型而异：贵金属（如Ru、Rh）的速率决定步骤（RDS）为N–H键断裂（E_diss = E_NH2 + 0.5E_N2(g) ? E_NH3*），而非贵金属（如Fe、Co、Ni）则受限于N₂脱附能。这种差异为双金属催化剂设计提供了理论依据。

Conclusion

尽管Ru仍是NH₃分解的黄金标准，但Ru-Ni等双金属合金通过协同效应降低了贵金属依赖。计算与实验的闭环验证策略，为开发高效、低成本制氢催化剂提供了新范式。