在铂（Pt）族金属合金丝网上，氨（NH3）选择性氧化成一氧化氮（NO）是硝酸生产的关键步骤，这是一个有百年历史但温室气体和资本密集型的过程。因此，开发对环境影响小、催化剂成本低的氨氧化替代技术具有重要意义。基于此，中科院大连化学物理研究所王晓东研究员和美国北卡罗来纳州立大学李凡星教授（共同通讯作者）等人报道了一种化学循环氨氧化（chemical looping ammonia oxidation, CLAO）催化剂和工艺，以取代昂贵的贵金属催化剂并减少温室气体排放。考虑到不同的氧化还原特性，V2O5被用作原型催化剂来研究所提出的CLAO工艺的可行性。在交替的NH3和O2气氛下，在连续等温循环中评估循环NH3转化活性和NOx选择性。在650 ℃的低温下，在很大程度上抑制了N2O排放（0.1%）的情况下，实现了出色的NH3转化率（97.0%）和NO选择性（99.8%），证明了CLAO工艺的卓越功效。相比之下，共进料模式下的最大NH3转化率和NO选择性分别仅为87.1%和32.4%，在600 ℃时N2O的选择性为16.8%。在详细的物理化学表征的基础上，作者通过密度泛函理论（DFT）计算以详细了解NH3氧化机制，特别是详细研究了V2O5的不同晶格氧的催化作用。原位拉曼光谱显示末端氧（V=O）是催化NH3氧化的活性中心，同时XPS和XANES表明该反应涉及V5+到V4+的可逆还原，其中V=O通过改进的、时间分离的Mars-van Krevelen（MvK）机制参与了NH3的氧化。V=O和NH3之间的简单反应（活化能：16.0 kJ/mol）是在相对低温下具有非凡的NH3氧化性能的原因。该研究结果强调了一个转型过程，即将化学循环策略扩展到以可持续且成本效益高的方式生产基础化学品。Selective catalytic oxidation of ammonia to nitric oxide via chemical looping. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-28370-0.https://doi.org/10.1038/s41467-022-28370-0.
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