Brug af et skålstruktureret aktivt webstedsdesign til at bryde skaleringsrelationerne for konvertering af nitrogen til ammoniak

N₂ -til-NH₃ omdannelse er en grundlæggende kemisk proces til at levere nitrogen til moderne industri og landbrug. En enorm indsats er blevet gjort siden opfindelsen af ​​Haber-Bosch-processen, men det er stadig en udfordrende opgave at levere N₂ -til-NH₃ konvertering under milde forhold.

Et generelt problem opstår fra skaleringsrelationerne, som pålægger en tilsyneladende modsætning mellem en katalysators evner til at aktivere N₂ og for at frigive NH₃ . Dette resulterer i en vulkankurve for den katalytiske aktivitet for N₂ -til-NH₃ konvertering, og udgør således en begrænsning for den katalytiske ydeevne ved det optimale katalysatordesign.

Dette er Sabatier-princippet for katalysatordesignet, som siger, at adsorptionen af ​​et relevant mellemprodukt på den optimale katalysator hverken skal være for stærk eller for svag. Med andre ord bør den optimale katalysator være et kompromis. Derfor er det tiltalende at identificere og belyse de katalytiske processer, der ikke er dikteret af skaleringsrelationerne, for at designe højeffektive heterogene katalysatorer ud over kompromiset.

For nylig undersøgte et forskerhold ledet af prof. Hai Xiao ved Tsinghua University, Kina de termokatalytiske mekanismer for N₂ -til-NH₃ konvertering på den intermetalliske elektride LaRuSi ved beregninger efter første principper. De finder, at et skålaktivt sted, sammensat af overflade-La-kationer og negativt ladede underjordiske Si-atomer, der stammer fra elektridenaturen, er nøglen til den effektive katalyse af N₂ -til-NH₃ konvertering.

De elektrostatiske og orbitale interaktioner mellem dette skålaktive sted og reaktionsmellemprodukter forbedrer N₂ i høj grad aktivering, der resulterer i negativt ladet N₂ til let spaltning af NN-binding, mens destabilisering af adsorptionerne af NH_x (x =1, 2, 3) arter, der indeholder positivt ladede H-atomer, hvilket letter desorptionen af ​​det endelige NH₃ produkt. Det er denne særlige skål aktive side, der består af f -blok La kationer og elektride Si anion, der bryder skaleringsrelationerne for højeffektiv N₂ -til-NH₃ konvertering.

Ved sammenligning med andre intermetalliske elektrodekatalysatorer, der er isostrukturelle for LaRuSi, bekræfter de eksplicit brydningen af ​​skaleringsrelationer mellem adsorptionerne af NH_x arter og N. De adaptive elektrostatiske interaktioner, der udøves af skålens aktive sted, spiller nøglerollen i at bryde skaleringsrelationerne for N₂ -til-NH₃ konvertering.

De identificerer også den mulige tilstedeværelse af lignende skålaktive steder i andre typer af højeffektive heterogene katalysatorer. Derfor foreslår de dette skålaktive sted med adaptive elektrostatiske interaktioner som et designkoncept, der afgiver ny indsigt i designet af højeffektive heterogene katalysatorer til N₂ –til–NH₃ konvertering, såvel som andre katalytiske reaktioner, der er dikteret af skaleringsrelationerne.

Resultaterne blev offentliggjort i Chinese Journal of Catalysis . + Udforsk yderligere

Ny anmeldelse fremhæver innovative katalysatorer:Design og anvendelse