Nd2O3负载Fe、Co、Ni催化剂的活性金属作用机制及其在氨合成中的应用研究

推荐：研究人员针对传统Haber-Bosch工艺高能耗问题，系统研究了Nd2O3负载Fe、Co、Ni单金属催化剂在氨合成中的性能差异。通过TPR、TPD、XRD、STEM等技术表征发现，Co/Nd2O3因优异的金属分散性和抗烧结性展现出最高反应速率（52 mmolNH3 gcat-1 h-1），而Fe/Nd2O3则具有最优本征活性（TOF=0.2 s-1）。该研究为开发高效稀土氧化物基催化剂提供了新思路。

　　

氨合成作为现代农业和工业的基石，其传统Haber-Bosch工艺却面临着严峻挑战：需在高压（15-30 MPa）和高温（400-500°C）下运行，消耗全球2%的能源并产生大量温室气体。这一"百年难题"的核心在于N≡N三键的稳定解离（键能941 kJ mol^-1），而现有铁基催化剂虽成本低廉但效率有限，钌基催化剂虽高效却价格昂贵。如何开发兼具高活性和经济性的新型催化剂，成为破解这一困局的关键。

波兰华沙理工大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向稀土氧化物Nd₂O₃负载的过渡金属催化剂。稀土氧化物因其独特的电子给体特性和热稳定性，在催化领域展现出巨大潜力。特别是随着NdFeB磁体回收技术的发展，Nd₂O₃的可持续获取成为可能。研究人员通过系统的比较研究，揭示了活性金属（Fe、Co、Ni）对催化剂性能的调控机制，相关成果发表在催化领域权威期刊《Catalysis Today》上。

研究团队采用湿法浸渍法制备了10 wt%金属负载的Nd₂O₃催化剂，通过X射线衍射（XRD）分析晶体结构，程序升温还原（TPR）研究还原行为，扫描透射电镜（STEM）观察金属分散度，并结合程序升温脱附（TPD）评估表面特性。在6.3 MPa、400-470°C条件下测试氨合成活性，通过STEM-derived分散度计算转化频率（TOF）。

3.1 载体特性

通过沉淀法制备的Nd₂O₃载体呈现单斜和六方晶系的Nd₂O₂CO₃相，经500°C焙烧后获得39.9 m² g^-1的高比表面积。这种介孔结构为金属纳米颗粒的均匀分布提供了理想载体。

3.2 催化剂特性

XRD证实还原后催化剂形成金属相（Fe-bcc、Co-hcp、Ni-fcc）和立方/六方Nd₂O₃的复合结构。STEM显示Co/Nd₂O₃具有最优的金属分散性（粒径14 nm，分散度6.1%），远优于Fe/Nd₂O₃（34 nm，2.4%）。CO₂-TPD揭示Ni/Nd₂O₃具有最强的表面碱性（95 μmol g_cat^-1），而H₂-TPD显示Co/Nd₂O₃具有最丰富的氢吸附位点。

3.3 实际应用考量

在6.3 MPa、470°C条件下，Co/Nd₂O₃展现出52 mmol_NH3 g_cat^-1 h^-1的最高反应速率，是Fe/Nd₂O₃的1.8倍。但TOF分析显示Fe活性位点的本征活性更高（0.2 vs 0.15 s^-1），表明Co的优异性能源于其抗烧结性和高分散度。与工业铁催化剂相比，Co/Nd₂O₃的单位金属质量活性（207 mmol_NH3 g_metal^-1 h^-1）已接近商业KM1催化剂（193 mmol_NH3 g_metal^-1 h^-1）。

这项研究首次系统阐明了Nd₂O₃负载型催化剂中金属选择对氨合成性能的影响规律。特别值得注意的是，虽然纯Co的本征活性低于Fe，但通过优化载体和调控金属分散度，完全可以实现性能反超。这为开发非钌系高效催化剂提供了重要启示：在保持适当本征活性的同时，提高金属利用率和稳定性同样关键。随着NdFeB磁体回收技术的成熟（如欧盟NEO-CYCLE项目），Nd₂O₃的大规模应用将成为可能，使这类催化剂兼具环境友好和经济可行的双重优势。未来研究可进一步探索双金属协同或电子助剂修饰等策略，推动稀土氧化物基催化剂向工业化应用迈进。