氨(NH3)是生产肥料的主要工业资源，在工业上，通常使用Haber-Bosch方法合成NH3，但是该方法会排放大量温室气体。因此，开发并设计一种耐用且可行的Fe催化剂替代品变得很重要。
据报道，双金属 Ru-Co催化剂是理想的NH3生产催化剂，在温和条件下优于各种 Ru-X合金(包括RuFe和纯Ru)。然而，目前仍然缺乏对其优越活性的系统理解，限制了其进一步的优化。基于此，韩国科学技术研究院(KIST)Sang Soo Han和Min-Cheol Kim等使用密度泛函理论和微动力学模型进行了关于NH3合成的Ru-Co催化剂的理论研究。
根据反应能量图和微动力学建模结果，研究人员发现NH3合成过程中低覆盖率 RuCo(0001)和Ru(0001)表面的N2离解步骤是决速步(RDS)，RuCo(0001)上N2离解的动力学和在热力学比Ru(0001)更有利(k'RuCo(0001)比k'Ru(0001)高8倍)。另外，电子DOS分析结果表明，由Co的电子转移到Ru产生富电子Ru活性位点，导致RuCo表面上的强N2结合(N2很容易进行离解)。
此外，研究人员还阐明了在磁矩的影响下RuCo > RuFe > Ru的催化活性趋势。也就是说，与RuFe和Ru表面相比，RuCo表面上增强的N2结合可以归因于同时增强的σ-键和π-背键。
这一结果开辟了催化剂设计的新策略，通过打破现有非磁性催化剂的自旋对称性来诱导反应中间体的强结合。该项工作中，研究人员不仅揭示了在Ru-Co双金属催化剂上增强NH3合成的起源，而且还提出了一种基于磁效应的催化剂设计策略。
Origin of Enhanced Ammonia Synthesis on Ru-Co Catalysts Unraveled by Density Functional Theory. ACS Catalysis, 2022. DOI: 10.1021/acscatal.1c05023
