科學家利用納米結構實現低能耗分解氮氣

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一直以來，我們所使用的糧食作物都依賴於氮基合成肥料，但是這些合成肥料需要消耗大量的能源，全球每年約有2%的能源被用於生產這些氮基肥料及類似化合物。不過現在這種狀況有望得到改變，美國普林斯頓大學的研究人員通過計算機模擬技術發現，使用陽光可以大幅度減少這種合成肥料在生產過程中所需能量。

氮氣是空氣最主要的成分，工業上一般通過從空氣中提取氮氣來大規模生產氮基肥料、藥物以及其他工業化學品，但是空氣中的N2分子很難被利用，因為氮原子之間形成的是共價三鍵，十分牢固，將其打破需要大量的能量。即使使用Haber-Bosch工藝，利用鐵催化劑可以在400攝氏度左右使N2和H2發生反應，仍然需要消耗大量的能源。

普林斯頓大學工程系主任Emily Carter和能源與環境學教授Gerhard R. Andlinger領導研究團隊想到也許可以利用太陽光來削弱氮分子中的氮氮鍵。如果可行，將大幅降低分解N2來合成肥料以及其他氮基產品所需的能源。

「利用陽光中的能量來催化N2、CH4、CO2等非活潑性分子，對可持續化學生產來說是一個巨大的挑戰。」機械、航天工程、應用計算數學教授Carter表示：「用陽光碟機動的室溫過程來取代傳統的能源密集型高溫高壓化學製造過程，是另一種減少對化石燃料依賴的方法。」

當光的波長比金屬納米結構還大時，這種波長的光會與這種納米金屬發生獨特的相互作用，即表面等離子體共振現象。這種現象可以聚集並增強電場，該研究團隊對此十分感興趣，該組成員John Mark Martirez博士認為，利用等離子體激元共振來提高催化劑分解氮分子的能力是完全可行的。

該研究團隊在近期的Science Advances期刊上描述了他們的研究成果：他們介紹了如何通過DFT密度泛函理論模擬光在金和鉬製成的微小結構中的行為。納米金是一類可以產生表面等離子體激元共振的材料，類似的還有納米銅和納米鋁等。研究人員首先模擬了金的納米結構，隨後將可以催化分解氮分子的鉬添加到其表面。

含鉬的金納米離子催化分解N2的過渡態結構圖

「等離子金屬納米顆粒就像避雷針一般，」Martirez表示： 「它能夠將大量的光能集中在一個非常小的區域內。」而這些集中的光能有效地提高了鉬催化劑表面的電場，從而有助於打破氮氮共價鍵。

研究人員通過計算表明，等離子體激元共振技術應該能夠大幅降低裂解氮氣分子所需的能量。Carter表示，模型表明應該可以在室溫和比現有技術所需的更低壓力下實現氮分子的解離。

在模擬的時候考慮光的影響是這個研究的一項挑戰。目前大多數計算機模型都能夠在分子層面準確評估化學反應。但是考慮到引入光帶來的變化，只能一次模擬幾個原子，而這並不足以評估工業反應。

因此，研究人員轉向Carter教授最初開發的技術，其可以使用高精度的方法對材料表面的一小部分進行建模，然後對這些結果進行擴展從而獲得對更廣泛、系統的理解。該技術又被稱為「嵌入相關波函數理論」，目前已經在Carter團隊中得到了多次驗證和廣泛應用，因此研究人員其對在氮分裂問題中應用充滿了信心。

Carter表示，她的團隊正在與Rice大學的研究人員合作，在實驗室測試這種等離子體共振技術。此前雙方曾經在類似的項目上進行過合作，包括證明金納米粒子上氫分子的解離。

下一步，Carter表示她希望將等離子體共振技術擴展到其他結合較強的化學鍵，如甲烷中的碳氫鍵，一直以來，工業中都是使用天然氣來提供合成肥料等其他重要的工業化學品中的H原子。

來源：Science Advances

文獻鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/3/12/eaao4710

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