Opnåelse af højeffektiv ammoniaksyntese ved at ændre det hastighedsbestemmende trin

Den elektrokemiske omdannelse af nitrogen til ammoniak er det mest lovende alternativ i den traditionelle Haber-Bosch-proces for at opnå nitrogenfiksering under omgivende forhold. I denne strategi, aktivering af højenergi tripelbindinger af nitrogen er den vigtigste flaskehals, og betragtes almindeligvis som det hastighedsbestemmende trin i ammoniaksyntese. Forskere baseret i Kina har med succes ændret det hastighedsbestemmende trin for elektrokemisk nitrogenreduktion, og skitseret vejledning til fremtidigt design af katalysatorer.

Ammoniak er en generisk forløber til fremstilling af gødning og de fleste nitrogenholdige organiske kemikalier. Til dato, industriel ammoniakproduktion udføres overvejende ved Haber-Bosch-processen, hvor nitrogen fikseres ved hjælp af det kemiske reduktionsmiddel brint. Imidlertid, trods mere end 100 års udvikling, denne proces kræver stadig barske forhold, herunder høje temperaturer (673-873 K) og tryk (20-40 MPa), tegner sig for 1,5 % af verdens energiforbrug. I denne sammenhæng, det er afgørende, at en bæredygtig og mindre energikrævende teknologi til at producere ammoniak.

En alternativ metode til at opnå N2-fiksering under omgivende forhold er den elektrokatalytiske N2-reduktionsreaktion (NRR) ved hjælp af protoner fra vand som brintkilde og drevet af vedvarende elektricitetskilder. Imidlertid, i praksis, det er stadig svært at opnå den ønskede NRR-ydelse, hvilket medfører stort energitab. Den centrale udfordring ligger i aktiveringen af ​​den inerte nitrogen-nitrogen triple binding, som generelt betragtes som det satsbestemmende trin. I denne sammenhæng, højaktive katalysatorer, der kunne ændre det hastighedsbestemmende trin i elektrokemisk ammoniaksyntese, repræsenterer en ideel kandidat til ammoniaksyntese.

I en ny forskningsartikel offentliggjort i Beijing-baserede National Science Review , forskere ved Soochow University i Suzhou, Kina, præsentere de seneste fremskridt med hensyn til at overvinde flaskehalsen ved omgivende ammoniaksyntese. Medforfattere Sisi Liu, Mengfan Wang, Haoqing Ji, Xiaowei Shen, Chenglin Yan og Tao Qian har med succes ændret det hastighedsbestemmende trin i omgivende ammoniaksyntese ved bevidst introduktion af enkeltklynger af kobolt som den elektrondonerende promotor i nitrogen-doteret kulstof, og opnåede et enestående ammoniakudbytte på 76,2 μg h-1 mg-1, med overlegen Faradaic effektivitet på 52,9 %. Med denne strategi, den overlegne ydeevne ville i høj grad reducere systemets energitab og reducere de grundlæggende omkostninger, dermed bidrage til fremtidige praktiske anvendelser.

Disse videnskabsmænd skitserer ligeledes de potentielle udviklingsretninger for fremtidige elektrokatalysatorer til bæredygtige NRR-systemer. "Når det er kemisk adsorberet på Co-klyngen, N2 aktiveres spontant og oplever en betydelig svækkelse af nitrogen-nitrogen tripelbindingen på grund af den stærke elektron tilbage-donation fra metallet til N2 antibonding orbitaler, og N2-dissociationen bliver en eksoterm proces over den enkelte koboltklynge, " siger prof. Tao Qian. "Således, det hastighedsbestemmende trin er med succes blevet flyttet fra den sædvanlige N2-aktivering til den efterfølgende hydrogenering med kun en lille energibarriere på 0,85 eV."