甬江实验室系列成果揭示氢化锂催化新机制

发布时间：2026-07-21来源：甬江实验室

在催化化学研究中，碱金属和碱土金属通常作为催化助剂（promoter），通过调控过渡金属催化剂的电子结构或几何构型，进而提升其催化活性与选择性。其中，钾（K）、铯（Cs）等碱金属以及钡（Ba）等碱土金属长期受到较多关注；而同为碱金属的锂（Li），因传统认知中其助催化效应较弱，长期以来未成为研究热点。

这一固有认知正在被改写。甬江实验室金属氢化学与能源催化研究组常菲团队最新研究发现，当锂以氢化锂（LiH）的形式参与催化反应时，它成为了关键角色，不仅可以作为氮的“传递者”，又可参与构建协同催化体系，还能够兼具“氢供体”和“配体”双重功能。

相关成果于近期相继发表于 JACS Au、Journal of Materials Chemistry A 和 Journal of Catalysis，展示了氢化锂在不同催化反应中的多元功能和应用潜力。

从幕后到台前：为什么是氢化锂？

合成氨（Haber-Bosch 工艺）和选择性加氢，是现代化学工业的两大基石反应。前者支撑着全球粮食生产，后者广泛服务于精细化工和制药产业。然而，这两类反应都有一个共同特点：催化剂始终面临性能与效率难以兼顾的瓶颈。

以合成氨为例，催化剂一直受困于“标度关系”（scaling relations）。氮气分子在催化剂表面的吸附活化与其后的加氢步骤之间存在此消彼长的内在矛盾：想让氮气更容易吸附，后续中间体就“粘”得太牢，导致催化剂中毒失活。反过来，想让中间体容易脱附，氮气的初始活化又变得困难。

炔烃半加氢也有类似的烦恼。工业上常用的钯（Pd）催化剂活性高、选择性好，却价格昂贵。镍、铜、铁等非贵金属虽然成本低，却往往需要100–200 ℃、10–40 bar氢气等苛刻条件，且难以控制——要么反应不动，要么过度加氢。

面对长期存在的难题，研究团队没有继续围绕传统助剂“修修补补”，而是另辟蹊径：将最简单的离子型金属氢化物氢化锂直接作为关键活性组分引入催化体系。过去，氢化锂更多被视作储氢材料，但这一次，其氢负离子（H⁻）兼具的强还原性与高反应活性，被赋予了催化使命。

三个催化体系，见证氢化锂的多元角色

三篇论文分别聚焦光热合成氨、铁基合成氨和室温炔烃加氢三个催化体系，系统揭示了氢化锂在不同催化反应中的功能。

光热合成氨：氢化锂担当动态“氮传递者”

https://doi.org/10.1021/jacsau.6c00811

在光热催化合成氨体系中，研究团队设计了 Ru-LiH/TiN 催化剂。氢化锂充当了一个动态的“氮传递者”（nitrogen mediator）——光生热电子在 Ru 位点上活化氮气后，氮并非直接在Ru上完成全部加氢过程，而是被“传递”到 LiH-TiN 界面，形成一种特殊的[Li-Ti-N-H] 中间体。

这一设计的巧妙之处在于“接力”：氮在 Ru 上活化，在 LiH 界面加氢——两个步骤分头进行，巧妙绕开了传统单一活性位点上氮活化与加氢之间的标度关系束缚。同时，光激发的 LiH 还能释放出反应性氢物种参与加氢，进一步推动反应。

特别值得关注的是稳定性。热催化合成氨中，NHx（x=1–3）中间体在催化剂表面累积导致的“吸附中毒”现象，往往使催化剂在不到1小时内迅速失活。而 Ru-LiH/TiN 在光照条件下可稳定运行 50 小时以上——这正是“接力机制”的功劳：氮被传递到 LiH 界面加氢，避免了 NHx 在 Ru 表面的累积。

光驱动与热驱动Ru-LiH/TiN催化合成氨反应路径差异

相关研究成果以“Tackling the Scaling Relations in Ammonia Synthesis through Light-Driven Catalysis over LiH-Mediated Ru/TiN”为题发表于 JACS Au。甬江实验室金属氢化学与能源催化团队张喜博博士、王也非博士、华东理工大学陶浩兰博士为论文共同第一作者。

铁基合成氨：氢化锂成为协同催化体系“构建者”

https://doi.org/10.1039/d5ta07969a

研究团队将氢化锂负载在铁氮共掺杂多孔碳（Fe-N-C）上，构建了 LiH/Fe-N-C 复合催化剂。氢化锂的加入引发了一系列“连锁反应”。它诱导 Fe-N 位点部分还原，使孤立的铁单原子部分聚集成纳米颗粒；在氢气氛围下，配位氮被移除形成氮空位（V_N），同时 LiH 与 Fe-N-C 相互作用生成表面铁氢化物物种（Fe-H）。

紧邻 V_N 的铁原子成为氮气吸附和活化的“黄金位点”，而 V_N 在反应条件下还能自我补充，维持催化循环。

一个有趣的发现是，在该体系中并未观察到氨基锂（LiNH₂）或亚氨基锂（Li₂NH）——这些通常被认为是氢化锂介导合成氨中的关键中间体。这意味着 LiH/Fe-N-C 上的加氢过程可能十分迅速，中间体来不及积累就已被转化为产物。

LiH/Fe-N-C热催化合成氨

相关研究成果以“Lithium Hydride Synergy with Fe/N-co-doped Porous Carbon for Efficient Ammonia Synthesis”为题发表于 Journal of Materials Chemistry A。甬江实验室金属氢化学与能源催化团队王也非博士为论文第一作者。

室温炔烃选择性加氢：氢化锂成为“氢供体”和“配体”

https://doi.org/10.1016/j.jcat.2026.116828

氢化锂的应用从合成氨拓展到了炔烃半加氢领域。研究团队设计了NiFe-LiH 复合催化剂，在25°C室温、≤3 bar H₂的温和条件下，实现了包括脂肪族、芳香族和杂原子取代底物在内的多种炔烃的高效高选择性半加氢。这里的 LiH 发挥了“一石二鸟”的作用。

氢化锂中的氢负离子（H⁻）作为反应性氢化物物种直接参与加氢反应，是氢化的核心驱动力。此外，氢化锂与过渡金属在界面处形成了独特的 Li-Ni-Fe-H 界面物种。阴离子型氢化物与过渡金属配位，像一个“电子开关”一样调控金属的电子状态，使其同时具备高活性（容易活化炔烃）和高选择性（不容易过度加氢）。

这一发现表明，氢化物并非只是储存和提供氢的“仓库”，还可以像参与调控金属中心电子结构。在非贵金属体系中，通过氢化锂的“配体效应”，可以实现以往只有贵金属 Pd 才能达到的活性和选择性，同时将反应温度从100–200°C 降至室温。

NiFe-LiH室温催化炔烃加氢

相关研究成果以“Forming Interfacial Li-Ni-Fe Hydride Enables Room-temperature Alkyne Semi-hydrogenation” 为题发表于 Journal of Catalysis。甬江实验室金属氢化学与能源催化团队初级研究员王琼瑜为论文第一作者。

从“助剂”到“活性组分”

氢化物催化的新启示

三篇论文从不同视角讲述了同一个故事：氢化锂不只是传统意义上的“碱金属助剂”，而是一种功能丰富的“活性组分”。它可以传递氮、释放氢、调控电子，在不同催化场景中承担关键角色。

这一发现背后是对碱金属助剂传统认知的突破。长期以来，人们通常认为碱金属主要通过离子形式提供电子，进而调节过渡金属催化剂的性能。在这一框架下，Li⁺由于离子半径较小、极化率较低，往往难以像 K、Cs、Ba 等元素一样发挥显著助催化作用。然而，当 Li 以氢化物形式存在时，催化化学的可能性随之改变：H⁻所具有的高反应活性、氢化锂的强还原能力，以及氢化物-金属界面形成的独特结构，共同开辟了新的催化空间。

这一研究思路也为 s 区金属氢化物的催化应用提供了新的方向。氢化锂只是一个开始，氢化钠、氢化钙、氢化镁等过去被认为“化学性质简单”的化合物，未来能否从催化舞台的边缘走向中心，仍值得进一步探索。

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来源 | 金属氢化学与能源催化研究组

编辑排版 | 敬雨文

审核 | 常菲张小暄

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