Forskere foreslår elektrokatalytisk ammoniaksyntese som en mere miljøvenlig metode

Et team af forskere har afsløret et lovende alternativ til de konventionelle metoder til at syntetisere ammoniak, et som er mere miljøvenligt.

Detaljer om deres forskning blev offentliggjort i Journal of Materials Chemistry A den 21. februar 2024.

Da Fritz Haber og Carl Bosch opfandt et middel til at syntetisere ammoniak fra nitrogen og brintgas i begyndelsen af ​​det 20. århundrede, muliggjorde det produktionen af ​​kemikaliet på industrielt niveau. Den dag i dag er Haber-Bosch syntesen stadig det dominerende middel til at producere ammoniak.

Alligevel har metoden nogle miljømæssige ulemper. Det er energi- og ressourcekrævende, og produktion af brintgas involverer ofte naturgas, som frigiver kuldioxid som et biprodukt.

Den elektrokemiske nitrogenreduktionsreaktion (ENRR), hvor nitrogengas fra luften kan omdannes til ammoniak ved hjælp af en elektrisk strøm, ses som et lovende og bæredygtigt alternativ. At forfølge højtydende og omkostningseffektive ENRR-katalysatorer er imidlertid en åben udfordring for at opnå omgivende ammoniakproduktion i kommerciel skala.

"Vi undersøgte potentialet for mindre værdifulde overgangsmetaldisulfider (TMS₂ ) som katalysatorer for ENRR," siger Hao Li, lektor ved Tohoku University's Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) og tilsvarende forfatter til papiret. "Gennem grundig analyse af elektrokemi-inducerede overfladetilstande afslørede vi en tidligere ukendt faktor. bidrager til deres høje ENRR-ydeevne:S-vacancegenerering."

Li og hans kolleger startede med en typisk ENRR TMS₂ katalysator, jerndisulfid (FeS₂ ), hvor de observerede, at under ENRR-forhold kan S-vacances nemt genereres på katalysatoroverfladen. Gennem avancerede beregningssimuleringer viste de, at denne elektrokemi-drevne "in situ"-generering af S-vacances markant forbedrer ENRR-aktivitet ved at fremme stærkere N-N-adsorption og aktivering.

Eksperimentelle observationer bekræftede deres resultater, som også var i overensstemmelse med nyere litteratur om ENRR-potentiale vinduer, der når maksimal faradaisk effektivitet - målet for effektiviteten af ​​en elektrokemisk proces til at konvertere elektrisk energi til kemisk energi eller omvendt.

Deres analyse udvidede også til andre TMS₂ katalysatorer (SnS₂ , MoS₂ , NiS₂ , og VS₂ ), hvilket afslører et universelt fænomen med "in situ" S-vacancegenerering under ENRR-potentialer.

"Vores forskning understreger den kritiske betydning af at overveje overfladetilstande i designet af ENRR-katalysatorer," tilføjer Li. "Ved at kaste lys over S-vacances rolle har vi givet en værdifuld køreplan for at forbedre ENRR-ydelsen og fremskynde overgangen til bæredygtig ammoniakproduktion."

Flere oplysninger: Tianyi Wang et al., Oprindelse af elektrokatalytisk nitrogenreduktionsaktivitet over overgangsmetaldisulfider:kritisk rolle for in situ-generering af S-ledig stilling, Journal of Materials Chemistry A (2024). DOI:10.1039/D4TA00307A

Journaloplysninger: Journal of Materials Chemistry A

Leveret af Tohoku University