在引入Haber-Bosch工藝100多年后，科學(xué)家們繼續(xù)尋找能源需求較低的替代氨生產(chǎn)路線。中國(guó)科學(xué)家現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，黑磷是將氮還原成氨的優(yōu)良催化劑。根據(jù)發(fā)表在Angewandte Chemie期刊上的研究，分層黑磷納米片是一種高選擇性和高效的催化劑。

氨是所有工業(yè)領(lǐng)域的必需原料，從農(nóng)業(yè)到精細(xì)化學(xué)品和制藥工業(yè)。一個(gè)多世紀(jì)以來，它已通過Haber-Bosch工藝在工業(yè)上合成，其中來自空氣的氮?dú)庠诟邏汉透邷叵峦ㄟ^過渡金屬催化劑用氫氣或合成氣還原。然而，這一過程的能源需求如此之高，以至于全球能源供應(yīng)的1%至2%用于氨的工業(yè)生產(chǎn)。

研究人員正在尋找更溫和的替代品，這些替代品采用在環(huán)境條件下運(yùn)行的催化劑。無金屬替代物是特別理想的。一個(gè)非常有趣的候選物是磷的最低反應(yīng)性，無毒形式：黑磷。由于其金屬般的外觀和不尋常的電子特性，這種材料在電子應(yīng)用中是一顆冉冉升起的新星。此外，其褶皺的二維片狀結(jié)構(gòu)可提供吸附和分子活化所需的邊緣和位點(diǎn)。

考慮到這一想法，中國(guó)廣州華南理工大學(xué)的王海輝研究員和同事們，正如他們的出版物所述，“通過簡(jiǎn)單的液體去角質(zhì)方法”制備了薄層的大塊黑磷。催化劑納米片包含在碳纖維電極中用于電解。為了提供氮?dú)夤?yīng)，用氮?dú)怙柡望}酸鹽電解質(zhì)溶液。

在施加電壓時(shí)，電極容易并選擇性地從氮?dú)庵猩砂保⑶覍訝詈诹咨踔羶?yōu)于“目前報(bào)道的大多數(shù)非金屬和金屬基催化劑”，作者補(bǔ)充道。磷材料的結(jié)構(gòu)和能量解釋了這種材料的非凡活性和選擇性。

磷有什么特別之處?通過理論計(jì)算，作者發(fā)現(xiàn)磷層中的鋸齒形排列與其他層狀或扁平材料形成對(duì)比，為氮吸附提供了理想的位置，邊緣的電子結(jié)構(gòu)最適合于結(jié)合，活化和還原氮。低能量途徑。

在解釋了層狀黑磷催化劑的非凡活性和選擇性后，作者承認(rèn) - 盡管在環(huán)境條件下黑磷的穩(wěn)定性普遍良好 - 但由于氧化，其長(zhǎng)期性能下降。“因此，防止電解液中黑磷降解的進(jìn)一步改進(jìn)將是有益的，”他們總結(jié)道。

這項(xiàng)工作開辟了一種新穎而有吸引力的黑磷應(yīng)用。在電催化氮還原中，黑磷的性能優(yōu)于其他非金屬和甚至金屬催化劑，這表明該材料可能很快在電催化中發(fā)揮更大的作用。隨著時(shí)間的推移，甚至哈伯 - 博世的進(jìn)程也可能會(huì)有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。