一种锕系离子-石墨炔复合材料及其制备方法和应用

氨在工业和农业中发挥着重要的作用，自二十世纪初F. Haber提出铁基催化剂催化合成氨方案后，世界工农业生产水平得到了大幅提升。氨分子中氢原子的质量分数为17.6%，介于丙烷和丁烷之间，因此氨也可以成为新一代储能物质。氨氧化分解产生水和氮气，不会释放二氧化碳等温室气体，因此氨还是一种具有重大应用价值的燃料，可为燃料电池提供清洁燃料。目前最成熟的工业产氨方案是Haber-Bosch循环，利用铁基催化剂在300-500 ℃以及150-200大气压的条件下进行热催化产氨，所消耗的能源约占世界总能耗的百分之二，释放的二氧化碳占全球总排放量的百分之三。如果能将热催化产氨的温度和压强显著降低，则可以大幅节省产氨能耗。

当前研究表明只有少部分催化剂具有低温低压下的产氨活性，主要集中在氢化物复合催化剂材料中。氢化物复合催化剂材料一般是由碱金属氢化物和碱土金属氢化物在惰性气体下和金属材料高温煅烧而成。尽管该类型材料性能优异，但是氢化物的强还原性和高化学活性使得这类材料往往在经历较短时间的催化过程之后就会发生结构相变，从而降低催化活性，并需要再生复用。氢化物材料往往和贵金属钌结合成复合材料。在发生结构相变之后，暴露的钌活性位点会吸附氢气产生“氢中毒”现象，从而失去催化活性。因此在低温低压下产生催化活性同时具有循环稳定性是氨催化剂的发展方向。

本项目提供了一种锕系离子-石墨炔复合材料及其制备方法和应用，综合利用超分子催化和锕系-石墨炔协同作用机制，展示了优异的催化性能。研究表明，该催化剂可在低温低压条件下（温度90-160 ℃，压强10-15大气压）实现高效率产氨，同时还通过结构的调控避免了“氢中毒”，提升了循环稳定性。在相近的温度压强下，本发明的催化剂产氨效率显著优于Fe/LiH和Ru/CaHF等材料。该材料有望对合成氨及相关催化领域的发展产生重要推动作用。

低价铀-少层石墨炔复合材料产氨后的氮元素XPS谱图。氮元素在397.0、397.7、398.6、399.8以及400.4 eV存在还原态氮原子，N-H物种，N-H2物种、吸附氮气分子以及与铀配位的氨的信号。