连发两篇JACS！天津大学杨永安等人在合成氨领域取得重要进展

导读

氨（NH3）的催化合成是现代化学工业的基石。理性设计并开发可在温和条件下运行的先进催化剂，是实现NH3合成与绿氢高效集成的关键前提。过去十年，多种高性能载体材料相继涌现，各具优势：电子化合物等具有强给电子能力；氮化物/氢化物载体可直接参与反应物活化；MgO晶面工程解决了Ru基催化剂的氢中毒问题；传统氧化物载体及碳材料则兼具空气稳定性和易合成性。然而，兼具上述优点的实用型“一体化”催化剂仍待探索。与此同时，在高效NH3合成的研究过程中，反应物—载体相互作用以及催化剂表界面结构动态重构的直接可视化仍十分有限，制约了先进催化剂的理性设计。2026年9月15日和10月10日，天津大学分子+研究院杨永安教授牵头的联合研究团队在《Journal of the American Chemical Society》上接连发表两篇论文，分别围绕上述两项挑战取得重要研究成果。

研究进展1｜新载体登场：“一体化”金属氟化物助力高效氨合成

分子+研究院杨永安教授与福州大学姚建年院士/王秀云研究员合作，开发了一系列金属氟化物（MFn，M = Li、Na、K、Mg、Ca、Ba）材料并将其作为Ru催化剂的“一体化”载体，克服了传统催化剂功能不够全面的局限。研究发现，Ru/NaF在所有Ru/MFn催化剂中表现出最高的本征转化频率；Ru/BaF2则在400 °C和0.9 MPa实现了创纪录的NH3合成速率。同时，改变主体阳离子可有效调控催化路径。该工作开创性地将MFn用作可策略性调控的固态催化平台，为定制多相催化剂界面微环境提供了通用设计蓝图。

核心内容

在代表性体系NaF与BaF2中，空位形成能的差异以及空位与反应物间差异化的相互作用，共同导致Ru/NaF与Ru/BaF2呈现出截然不同的活性位点和反应机制。在Ru/NaF中，碱金属晶格的深度还原形成高度局域化的Na0-Ruδ-物种。而在Ru/BaF2中，刚性碱土金属晶格驱动强金属—载体相互作用，生成Ru–BaF2-x界面基元位点，保障了稳定且高效的NH3合成催化过程。

论文信息

论文题目：Metal Fluorides: All-In-One Supports for Ruthenium-Catalyzed Ammonia Synthesis

通讯作者：天津大学杨永安教授与福州大学姚建年院士/王秀云研究员

第一作者：天津大学分子+研究院博士研究生胡小虎/严一凡/王嘉楷/常昊龙

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c18484

研究进展2｜新视角登场：原位捕捉氨合成动态活性位点

分子+研究院杨永安/罗浪里/陈星团队与福州大学姚建年院士/江莉龙/王秀云合作，利用多种原位技术阐明了此前未见报道的Ru/SrF2催化剂的动态结构演化。研究发现，反应过程中Ru与SrF2界面并不是静止不变，而是在“完全包覆—部分包覆—未包覆”之间持续循环重构，由此不断生成高活性的Ru0–VF–Srγ+界面位点，实现了温和条件下NH3的高效合成。该工作有望启发更先进的工况（operando）研究，为理解催化机理和开发实用催化剂提供新思路。

核心内容

Ru/SrF2表现出优异的温和条件氨合成性能，在研究构效关系过程中，使用球差校正原位透射电镜观测到SrF2会被N2/H2“激活并重构”。原子分辨HAADF-STEM则进一步捕捉到Ru的三种典型界面状态：未包覆、部分包覆和完全包覆。随后，团队在 400 °C、N2+H2反应气氛下连续观察同一Ru颗粒，发现其依次经历“完全包覆 → 部分包覆 → 退包覆 → 再次完全包覆”的循环。换言之，真实反应中的活性界面并非固定不变，而是在持续“呼吸”和重构。这一动态过程反复生成新的 Ru0–VF–Srγ+界面位点，被认为是该催化剂高活性的关键来源。

论文信息

论文题目：Unraveling the Structural Dynamics in Ammonia Synthesis over the Strontium Fluoride-Supported Ruthenium Catalyst

通讯作者：天津大学杨永安教授/罗浪里教授/陈星教授与福州大学姚建年院士/江莉龙研究员/王秀云研究员

第一作者：天津大学分子+研究院博士研究生胡小虎/严一凡/常昊龙/曹忠良

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c12200

来源：天津大学