氨是重要的化肥原料,也是颇具潜力的氢能源载体,对于可再生能源的储存、运输和终端利用至关重要.然而,传统Haber-Bosch工艺合成氨的反应条件苛刻,需要高温高压条件,并消耗大量化石能源及排放大量二氧化碳.可再生能源电解水制氢耦合温和合成氨新技术(eHB),不仅能实现可再生能源电力的＂消纳和调峰＂,而且可进行低成本、跨地域长距离存储运输,并可将＂绿氨＂与氢能产业相结合.然而,现有的高温高压合成氨催化剂与eHB工艺相不匹配,因此,迫切需要开发温和条件下高效合成氨催化剂技术,以实现可再生能源电力电解制氢体系和合成氨技术互补融合.目前,虽然助剂对于Ru基纳米簇(≥l　nm)合成氨催化剂的影响规律已得到了广泛研究,但它们对于Ru原子簇催化剂的作用机制尚不清楚,需要进一步揭示.
本文考察了Ba及Ce助剂对Ru原子簇催化剂的影响规律,并分析了其作用机制.首先,通过简单的浸渍法将Ba和/或Ce物种掺杂到Ru原子簇催化剂(2　wt％Ru　ACCs),制得Ba/Ce/2　wt％Ru　ACCs催化剂;然后,通过一系列实验考察了这些催化剂的合成氨性能,并利用多种表征手段对其进行了深入分析.合成氨性能测试结果表明,添加Ba和Ce助剂后,2　wt％Ru　ACCs催化剂的合成氨速率明显提高,在400℃和1　MPa下,Ba/Ce/2　wt％Ru　ACCs催化剂的合成氨反应速率达到56.2　mmolNH3　gcat-1　h1,是2　wt％Ru　ACCs的7.5倍,且催化剂表现出较好的稳定性,在稳定运行140　h后活性未见明显降低.球差校正电子显微镜和X射线吸收精细结构谱结果表明,负载Ba和/或Ce后,Ru以Ru3原子簇形式存在.X射线吸收近边结构谱和X射线光电子能谱结果表明,Ru与Ba及Ce物种之间存在较强的簇-金属氧化物助剂电子相互作用,可促进电子转移到Ru物种,形成富电子状态的Ru,进而促使电子转移到N2的π*反键轨道,提高温和条件下合成氨反应速率.利用25％N2+75％D2气氛下的原位红外光谱研究催化剂的合成氨反应机理,结果表明,在Ba/Ce/2　wt％Ru　ACCs催化剂表面同时检测到N2D2物种和N2Dx物种的振动吸收峰,说明添加Ba和/或Ce物种没有改变Ru原子簇催化剂活化N2的方式,N2仍是通过加氢的路径合成氨.
综上,本文考察了助剂对Ru原子簇的影响规律,揭示了其作用机制,为设计高效的温和条件合成氨催化剂提供参考.