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西湖大学王涛研究员课题组在铁磁金属催化作用机制方面取得进展

2024/04/16


图 铁磁-顺磁相变对钴、镍向氨合成Sabatier峰值的影响

  在国家自然科学基金项目(批准号:22273076)等资助下,西湖大学王涛研究员课题组,运用密度泛函理论计算模拟了Fe、Co、Ni等铁磁相及顺磁相对氨合成显示的活性,揭示了铁磁-顺磁相变对铁磁金属催化性能的影响机制,相关研究成果以“铁磁金属催化剂的顺磁相助力合成氨活性走向Sabatier峰值(Toward Sabatier Optimal for Ammonia Synthesis with Paramagnetic Phase of Ferromagnetic Transition Metal Catalysts)”为题,于2022年12月6日在线发表于《美国化学学会杂志》(Journal of the American Chemical Society)上,论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c10603。

  Sabatier规则是多相催化领域中理想催化剂的黄金标准,即催化剂与反应物种的作用力要恰到好处,若作用太强,产物将难以脱附;若作用太弱,反应物则无法被催化剂有效的活化。基于这一经典规则,诸多催化反应中不同催化剂活性所呈现的趋势可以被定义成火山图,接近火山顶则是催化剂设计的主要追求目标。作为重要的工业合成原料,是生产肥料等化学品的最大原料之一。Haber–Bosch工艺合成氨反应机理较为明确,是目前生产氨的主要方法之一,亦是研究催化过程的理想模型反应。目前常用的调控方式如合金化、应力、表面修饰、限域化等,均将从本质上改变催化剂活性中心的结构,进而影响反应机理。因此,如何从催化材料内禀的物理、化学性质出发,挖掘出调控其反应性能的可能性成为关键科学问题。

  上述研究团队从电子的自旋-自旋相互作用出发,提出在催化过程中,铁磁性过渡金属的磁序受高温扰动,呈现出顺磁性,并通过这种铁磁-顺磁相变将把钴和镍向氨合成Sabatier峰值推进。基于该机制,研究团队利用密度泛函理论计算,模拟了Fe、Co、Ni铁磁相及顺磁相的氨合成活性,揭示了铁磁-顺磁相变对铁磁金属催化性能的影响机制(图)。在相同反应条件下,使用顺磁性钴和镍作为催化剂的氨合成,效率比相应铁磁性状态下高出100~10000倍,显现了温和条件下合成氨的巨大潜力。


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