在引入Haber-Bosch工艺100多年后，科学家们继续寻找能源需求较低的替代氨生产路线。中国科学家现已发现，黑磷是将氮还原成氨的优良催化剂。根据发表在Angewandte Chemie期刊上的研究，分层黑磷纳米片是一种高选择性和高效的催化剂。
氨是所有工业领域的必需原料，从农业到精细化学品和制药工业。一个多世纪以来，它已通过Haber-Bosch工艺在工业上合成，其中来自空气的氮气在高压和高温下通过过渡金属催化剂用氢气或合成气还原。然而，这一过程的能源需求如此之高，以至于全球能源供应的1%至2%用于氨的工业生产。
研究人员正在寻找更温和的替代品，这些替代品采用在环境条件下运行的催化剂。无金属替代物是特别理想的。一个非常有趣的候选物是磷的最低反应性，无毒形式：黑磷。由于其金属般的外观和不寻常的电子特性，这种材料在电子应用中是一颗冉冉升起的新星。此外，其褶皱的二维片状结构可提供吸附和分子活化所需的边缘和位点。
考虑到这一想法，中国广州华南理工大学的王海辉研究员和同事们，正如他们的出版物所述，“通过简单的液体去角质方法”制备了薄层的大块黑磷。催化剂纳米片包含在碳纤维电极中用于电解。为了提供氮气供应，用氮气饱和盐酸盐电解质溶液。
在施加电压时，电极容易并选择性地从氮气中生成氨，并且层状黑磷甚至优于“目前报道的大多数非金属和金属基催化剂”，作者补充道。磷材料的结构和能量解释了这种材料的非凡活性和选择性。
磷有什么特别之处?通过理论计算，作者发现磷层中的锯齿形排列与其他层状或扁平材料形成对比，为氮吸附提供了理想的位置，边缘的电子结构最适合于结合，活化和还原氮。低能量途径。
在解释了层状黑磷催化剂的非凡活性和选择性后，作者承认 - 尽管在环境条件下黑磷的稳定性普遍良好 - 但由于氧化，其长期性能下降。“因此，防止电解液中黑磷降解的进一步改进将是有益的，”他们总结道。
这项工作开辟了一种新颖而有吸引力的黑磷应用。在电催化氮还原中，黑磷的性能优于其他非金属和甚至金属催化剂，这表明该材料可能很快在电催化中发挥更大的作用。随着时间的推移，甚至哈伯 - 博世的进程也可能会有竞争对手。