Choi Minki 领导的 KAIST 生命化学工程系教授团队，撼动全球氢能经济
韩国科学技术院（KAIST）研究团队开发出一种高性能催化剂，即使在极低温度和低压条件下也能实现无能量损失的氨合成。
KAIST生命化学工程系教授 Choi Minki 研究团队11日表示，他们开发出了一种创新性催化体系，在大幅降低能源消耗和二氧化碳排放量的同时，还能将氨的生产率大幅提升。
利用可再生能源生产氢气是绿色能源生产的核心技术。然而，这样生产出来的氢气在储存和运输方面存在困难，因此通常将其以无碳排放、易液化的氨（NH3）形式进行储存。
氨目前主要通过以铁（Fe）为基础的催化剂，采用已有百年历史的哈柏–博施工艺生产。然而，该技术需要在高温高压（500℃、100个大气压）条件下进行，导致巨大的能源消耗、大量二氧化碳排放以及高昂的流通成本等问题。
因此，近年来利用电解水技术生产的绿色氢气，在低温低压（300℃、10个大气压）条件下合成氨的环保工艺备受关注。不过，这一工艺必须配备能够在低温低压下依然保持高氨生产率的催化剂。以目前技术水平，通过该工艺获得的氨产率偏低，如何突破这一限制成为关键课题。
研究团队将钌（Ru）催化剂与具有强碱性的氧化钡（BaO）颗粒引入导电性优异的碳表面，开发出一种如同“化学电容器（chemical capacitor）”般运作的新概念催化剂。
在氨合成反应过程中，氢分子（H2）首先在钌催化剂表面分解为氢原子（H），随后氢原子进一步分解为质子（H+）和电子（e-）对。呈酸性的质子被储存在具强碱性的氧化钡中，而剩余电子则分别储存在钌和碳上。
通过这种特殊的化学储能现象，电子变得极其丰富的钌催化剂能够促进氨合成反应核心步骤——氮分子（N2）的解离过程，从而飞跃性地提升催化活性。
尤其是在本次研究中，团队通过调控碳的纳米结构，使钌的电子密度实现最大化，并证实由此可以显著提高催化活性。在300℃、10个大气压这一温和条件下，该催化剂展现出的氨合成性能比现有最高水平催化剂高出7倍以上。
Choi Minki 教授表示：“本研究证实，利用高性能催化剂，即使在低温低压条件下也可以高效合成氨。由此有望摆脱以大型工厂为中心的传统生产模式，实现分散型小规模氨生产，并推动构建更适用于绿色氢能经济体系的灵活氨生产与利用方式。”
本研究由 Choi 教授担任通讯作者，博士课程学生 Baek Yejun 担任第一作者参与完成。研究成果已于上月24日发表在催化化学领域权威国际学术期刊《Nature Catalysis》上。（论文题目：Electron and proton storage on separate Ru and BaO domains mediated by conductive low-work-function carbon to accelerate ammonia synthesis）
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