石河子大学于锋教授课题组FCSE：低温常压下一氧化氮加氢催化合成氨

氨（NH₃）是重要的化工产品之一，世界每年合成氨的需求量约2.0亿吨左右，是氮肥、化工产品的重要原料。目前，合成氨主要采用哈伯-博施法（Haber‑Bosch Process），在Fe基催化剂作用下由氮气（N₂）与氢气（H₂）发生催化加氢反应合成氨。该方法在高温高压下完成，每年导致3亿吨碳排放，消耗的能源高达全世界能源总消耗的2%左右，迫切需要研发低能耗的合成氨新方法。

与此同时，全球烟气中含有大量的污染性气体氮氧化物（NO_x），每年排放量约5000万吨。大量的NO_x排放到大气中易于导致酸雨现象、光化学烟雾污染、破坏臭氧层等不良后果。目前，选择性催化还原（SCR）技术去除NO的脱硝效率高，是目前的主要脱硝技术之一。通常采用NH₃作为还原剂，利用NH₃-SCR将NO还原为N₂，达到减少NO_x排放的目的，但是需要消耗大量的NH₃。 

图1. 合成氨与SCR脱硝的路线图

石河子大学碳中和与环境催化研究团队于锋教授（点击查看介绍）课题组等通过研究发现以NO为氮源，采用H₂作为还原剂，在Fe基催化剂的作用下，不仅可以避免NH₃的使用，而且还可以有效地合成NH₃，并申请了相关专利（申请号：202210057987.5、202211473330.3）。其中，FeCu/TiO₂作为NO加氢催化合成NH₃催化剂，在350 ℃和常压下的NO转化率和NH₃选择性分别为80.0%和97.7%。与传统的哈伯-博施法相比，这种方法具有以下优势：

（1）低能耗：该反应可以在低温低压下进行，无需高温高压的反应条件，可有效减少能源消耗；

（2）避免NH₃的使用：传统的NH₃-SCR脱硝方法需要消耗大量NH₃作为还原剂，采用该方法可以用绿氢代替液氨，避免了NH₃的使用；

（3）脱硝与合成氨的耦合：该方法采用NO加氢催化合成NH₃的反应路径（即，NO氨化，NO ammoniation），与CO加氢催化制备CH₄的反应路径（即，CO甲烷化，CO methanation）“异曲同工”，实现了脱硝与合成氨的耦合，为废弃的污染气体NO“变废为宝”制备NH₃提供了新的途径。

图2. NO加氢催化合成NH₃（即，NO氨化，NO ammoniation）。

图3. 催化剂的理化特征（a）XRD谱图、（b）EPR谱图、（c）N₂吸附-解吸等温线和（d）BJH孔径分布曲线。

图4. 催化剂的XPS分析（a）Fe 2p、（b）Cu 2p、（c）O1s和（d）Ti 2p。

图5. 催化剂的性能测试（a）NO转化、（b）NH₃选择性、（c）NH₃浓度和（d）稳定性测试。

图6. 10Fe-8Cu/TiO₂催化剂的原位红外谱图：（a）在不同温度下NO在催化剂上的吸附谱图和（b）在不同温度下NO+H₂的共吸附谱图。

图7. 在10Fe/TiO₂（黑色）和10Fe-8Cu/TiO₂ （红色）催化剂表面：（a）*NO→*N+*O解离过程、（b） *NO+H→*NOH加氢过程和（c）*HNO→*NO+*H解离过程的能势和分子构型变化。

图8. 10Fe/TiO₂（黑色）和10Fe-8Cu/TiO₂（红色）表面NO形成NH₃的路径图。

这一研究成果有望为合成氨工业的可持续发展开辟新的路径，并为解决能源消耗和环境污染等问题提供了新的解决方案。相关工作在期刊Frontiers of Chemical Science and Engineering（《化学科学与工程前沿》）上发表，共同第一作者石河子大学化学化工学院研究生崔丹和李彦琴，通讯作者于锋教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

NO hydrogenation to NH₃ over FeCu/TiO₂ catalyst with improved activity

Dan Cui, Yanqin Li, Keke Pan, Jinbao Liu, Qiang Wang, Minmin Liu, Peng Cao, Jianming Dan, Bin Dai, Feng Yu*

Front. Chem. Sci. Eng., 2023, DOI: 10.1007/s11705-023-2364-2

导师介绍

于锋

https://www.x-mol.com/groups/yu_feng