催化学报

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均相催化合成氨中兼顾N≡N键活化与N-H键形成的理论构效关系

何朝春a,b,c,1, 刘纯莉a,b,c,1, 柳雍华a,b,c, 王涛a,b,c,*   

  1. a浙江省白马湖实验室西湖大学基地, 浙江省白马湖实验室, 浙江杭州 310000;
    b西湖大学理学院化学系, 西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心, 未来产业研究中心, 浙江杭州 310030;
    c西湖高等研究院理学研究所, 浙江杭州 310024
  • 收稿日期:2025-11-30 接受日期:2025-12-30
  • 通讯作者: *电子信箱: twang@westlake.edu.cn (王涛).
  • 作者简介:1共同第一作者.
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22573081, 22273076); 浙江省重点研发计划(2024SSYS0064); 国家重点研发计划(2022YFA0911900); 浙江省自然科学基金(LR25B030001).

Boosting homogeneous ammonia synthesis by balancing N≡N activation and N-H formation

Zhaochun Hea,b,c,1, Chunli Liua,b,c,1, Yonghua Liua,b,c, Tao Wanga,b,c,*   

  1. aDivision of Solar Energy Conversion and Catalysis at Westlake University, Zhejiang Baima Lake Laboratory, Hangzhou 310000, Zhejiang, China;
    bCenter of Artificial Photosynthesis for Solar Fuels and Department of Chemistry, School of Science and Research Center for Industries of the Future, Westlake University, Hangzhou 310030, Zhejiang, China;
    cInstitute of Natural Sciences, Westlake Institute for Advanced Study, Hangzhou 310024, Zhejiang, China
  • Received:2025-11-30 Accepted:2025-12-30
  • Contact: *E-mail: twang@westlake.edu.cn (T. Wang).
  • About author:1Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China (22573081, 22273076), the Key R&D Program of Zhejiang (2024SSYS0064), the National Key Research and Development Program of China (2022YFA0911900), and the Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China (LR25B030001).

摘要: 氨(NH3)是人类重要的化工原料之一, 广泛应用于农业、工业以及无碳燃料领域. 当前已有百年历史的哈伯-博施工艺仍是工业氨合成的主导途径, 但其反应条件苛刻、能耗高且碳排放量巨大. 因此, 发展温和条件下高效合成氨的新体系已成为迫切需求. 理想催化剂应同时具备较低的N≡N键断裂能垒(Ea)和适中的氮结合能(EN), 以兼顾氮气分子活化与后续氢化过程. 然而, 多相催化体系中, 二者之间存在显著的线性标度关系, 严重制约了高效催化体系的开发. 相比之下, 均相催化体系凭借灵活的氮气配位模式, 在温和条件下实现氨合成方面展现出独特优势. 由此可见, 系统研究配位环境对催化性能的调控规律, 对设计高活性均相合成氨催化体系具有重要意义.
基于密度泛函理论计算, 本文以NHC-PCP配体催化剂为模型体系, 系统探究均相合成氨体系的理论构效关系与催化机制. 首先, 以Mo, W, Nb, Ta, Cr, Re和Os七种金属中心配合物为代表, 分别计算其N≡N键断裂和N-H键形成的能垒及其对应的键解离能, 揭示了反应能垒与对应的键解离能之间存在良好的线性相关性. 随后, 进一步对Sc, Ti, V等十九种金属中心的金属氮化物([Mo]≡N)中间体进行电子结构分析, 发现与多相催化体系类似, N≡N键断裂和N-H键形成的反应能垒随[Mo]≡N电子结构的变化呈现相反的趋势. 结合基元步骤反应能垒计算与微观动力学模拟, 通过合成氨转化频率(TOFNH3)的定量评估, 确定Mo和W为该体系中最有潜力的活性金属中心. 在明确活性金属中心之后, 通过在NHC-PCP钳形配体的5,6位引入不同取代基, 实现对金属氮化物电子结构的精准调控. 在Mo基NHC-PCP配合物中, 理论结果与已报道的实验数据对比表明, 吸电子或供电子基团的引入可以有效调节金属氮化物的电子结构, 从而实现N≡N键断裂和N-H键形成步骤的动态平衡, 验证了本文构建的构效关系的合理性和可靠性. 进一步针对活性更高的W基体系, 理论预测5,6-OCF3取代的W-PCP配合物具有最优的电子结构调控效应, 表现出显著优于文献中报道的最佳Mo基催化体系的合成氨活性, 展现出优异的催化潜力.
综上, 本文揭示了N≡N键断裂和N-H键形成两个关键步骤在催化剂电子结构调控中的对立效应, 构建了均相合成氨催化体系中的理论构效关系. 通过调控NHC-PCP配体的活性中心和取代基, 实现了催化剂电子结构的可控优化和合成氨关键步骤的动态平衡, 并成功设计出高效的5,6-OCF3-W新型催化剂. 本文为分子固氮催化体系的理性设计与高效氨合成催化剂的开发提供了重要理论依据.

关键词: 温和固氮, 分子催化, 直接解离机制, 取代基效应, 密度泛函理论

Abstract: Achieving mild-condition ammonia synthesis from dinitrogen (N2) reduction has been a longstanding challenge in heterogeneous catalysis, primarily due to the lack of catalysts capable of simultaneously breaking the N≡N bond and hydrogenating the atomic nitrogen with low energy barriers. Herein, we identify a fundamental trade-off between N≡N bond breaking and subsequent N-H bond formation steps across different molecular catalysts, which was not previously established in homogeneous catalysis. By balancing N≡N activation and N-H formation, our computational analysis not only effectively rationalizes experimentally observed activity trends among well-studied Mo-complexes but also offers a rationale for predicting new homogeneous catalysts. Based on this established theoretical structure-activity relationship, we further identified a 5,6-OCF3-substituted tungsten (W) complex as a promising catalyst for ammonia synthesis, overperforming all available complexes in the literature under the same reaction conditions. This work not only explains the trend in ammonia synthesis activity of metal complexes in available experiments but also provides theoretical guidance for the rational design of next-generation molecular catalysts for ambient nitrogen fixation.

Key words: Nitrogen fixation, Molecular catalysis, Dissociative mechanism, Substituent effect, Density functional theory