氨（NH₃）不仅是农业生产中氮肥的核心原料，也是重要的无碳能源载体。然而，工业上广泛应用的哈伯-博世（Haber-Bosch）工艺需在高温（350–500°C）高压（10–30 MPa）下运行，能耗巨大，约占全球年能源消耗的2%，并伴随大量碳排放。如何在常温常压等温和条件下实现高效氨合成，一直是催化领域的“圣杯”式挑战。

针对这一难题，中国科学院大连化学物理研究所邓德会研究员、于良研究员团队与中国科学院苏州纳米所崔义研究员团队合作，在环境条件下的热催化合成氨领域取得新进展。大连化物所研究团队创新性地构建了以金属Li为阳极、碳纳米管负载Ru纳米颗粒为阴极的可充电锂电池体系，通过电池放电原位生成金属Li/Ru界面，并引入N_₂和H_₂混合气，在常温常压条件下的氨生成速率达2.43 mmol g_Ru^-1 h^-1。通过电池充放电循环原位再生Li/Ru界面，该合成氨过程可稳定运行超过400小时。该研究为建立温和条件下的可持续合成氨过程提供了新途径。

苏州纳米所研究团队依托纳米真空互联实验站（Nano-X），在超高真空互联系统中对Li/Ru模型催化剂开展了精准构筑与原位表征，团队将金属锂原子沉积在金属钌单晶表面，构建了具有高活性金属Li/Ru界面的新型催化剂，并验证了常温常压下热催化N_₂与H_₂高效合成氨的可行性，从原子尺度揭示了Li-Ru协同活化N₂的关键机制。其中面临着一个极大的实验挑战：金属锂对空气（氧气和水）极度敏感，极易被氧化，传统的非原位表征手段根本无法获取真实的催化活性中心和反应中间体信息。为解决这一难题，研究团队充分依托Nano-X的独特优势；研究人员首先在分子束外延（MBE）腔室中，在Ru(0001)单晶表面精准沉积Li金属，构建了理想的Li/Ru模型催化剂；随后，在不破坏真空、全程隔绝大气的条件下，将样品转移至反应腔室通入N_₂和H_₂进行常温反应；最后，继续通过真空互联管道将反应后的样品分别转移至X射线光电子能谱（XPS）、飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）以及四极杆质谱（QMS）等表征节点，实现了对表面物种的准原位（quasi-in situ）精准探测。得益于Nano-X的多模态模型催化研究平台，团队首次清晰地捕捉到了Li-NHx（如[LiN]-、[LiNH]+等）关键反应中间体，并实时监测到了室温下NH₃的生成，这一实验证据为Li/Ru界面的常温催化机制提供了最直接、最坚实的支撑。

图：依托Nano-X超高真空互联系统开展的模型催化研究。（A、B）Li/Ru(0001)模型催化剂的制备及其在超高真空互联系统中原位反应与表征的示意图。

相关研究成果以Ammonia synthesis at metallic Li/Ru interfaces under ambient conditions为题，发表于国际顶级化学期刊《Chem》上。中国科学院大连化物所侯莹、胡薇、涂云川博士为论文共同第一作者，中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站项研级高级工程师魏伟、博士后李浩以及创新实验室博士生雷浩、杨光等参与了研究工作；中国科学院大连化物所邓德会研究员、于良研究员以及中国科学院苏州纳米所崔义研究员为该论文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委以及中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）的支持。

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