有效的自下而上合成新型钙钛矿材料以生产氨

科学家在东京技术学院(东京工业)找到一种方法来合成，促进生产氨的一种特殊类型的钙钛矿，它在化肥生产和氢能关键应用。这种新的合成工艺可以在比传统方法合成钙钛矿氧化物材料的温度低得多的温度下进行，而且所需的时间要短得多，而且所生产的钙钛矿的性能优于所有竞争对手。

钙钛矿是一类合成材料，其晶体结构与天然矿物钛酸钙相似。它们一直是许多研究的主题，因为它们表现出令人兴奋的独特特性，可以根据其组成对其进行调整。它们的潜在应用之一是作为合成氨的催化剂。换句话说，可以将特定的钙钛矿与氮和氢一起置于反应室内，以促进这些气体的反应形成氨。

氨是一种有用的物质，可用于生产肥料和人造化学品，甚至可作为清洁能源载体(以氢的形式)，这可能是环保技术的关键。然而，氨和钙钛矿自身的合成存在各种挑战。

氨的合成速率通常受到解离氮分子所需的高能量的限制。一些研究人员在使用贵金属(例如钌)方面取得了一些成功。近来，已经开发出其中一些氧原子被氢和氮离子替代的钙钛矿作为合成氨的有效催化剂。然而，具有这种取代的钙钛矿的传统合成通常必须在高温(高于800℃)下并且要长时间(几周)进行。

为了解决这些问题，最近在东京工业大学进行的一项研究中，北野正昭教授领导的一组研究人员设计了一种新型方法，用于低温合成其中一种氧取代的钙钛矿，其化学名称为BaCeO 3− x N y H z，并测试了其作为催化剂生产氨的性能。为此，他们对钙钛矿的合成工艺进行了创新性的改进。将碳酸钡和二氧化铈用作前体(或“成分”)涉及非常高的温度，才能使其结合成碱式钙钛矿或BaCeO 3，因为碳酸钡非常稳定。另外，然后将不得不用氮和氢离子代替氧原子。另一方面，研究小组发现，化合物氨化钡在氨气流下容易与二氧化铈反应，在低温下以较少的时间直接形成BaCeO 3-x N y H z(图1)。Kitano教授解释说：“ 这是这种材料的自下而上合成的首次展示，这种材料被称为钙钛矿型氢化氧氮化物。 ”

研究人员首先分析了通过提出的方法获得的钙钛矿的结构，然后测试了其在各种条件下低温合成氨的催化性能。当与钌结合使用时，所提议的材料不仅优于大多数最新技术的竞争者，而且与钴和铁等较便宜的金属结合使用时，其材料也大大超越了所有其他竞争者(见图2)。就性能和相关成本而言，这代表了巨大的优势。

最后，研究人员试图阐明提高氨合成速率的背后机制。总体而言，本研究提供的见解可作为合成具有氮和氢离子替代物的其他类型材料以及用于催化剂智能设计的协议。Kitano教授总结说：“ 我们的结果将为低温氨合成的新催化剂设计策略铺平道路。” 这些发现有望使有用材料的合成更清洁，更节能。

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