Bimetallisk legering nanokatalysator øger effektiv ammoniakproduktion med potentiale for kulstoffri energi

Ammoniak (NH₃ ) betragtes som en lovende kulstoffri energibærer, men dens energiintensive produktionsproces udfordrer stadig globale videnskabsmænd. Et forskerhold ledet af City University of Hong Kong (CityU) udviklede for nylig en bimetallegering som en ultratynd nanokatalysator, der kan levere stærkt forbedret elektrokemisk ydeevne til generering af ammoniak fra nitrat (NO₃ ^- ), hvilket giver et stort potentiale for at opnå kulstofneutralt brændstof i fremtiden.

Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ) under titlen "Atomic coordination environment engineering af bimetalliske legeringsnanostrukturer til effektiv ammoniakelektrosyntese fra nitrat."

Ammoniak, som er almindeligt anvendt i gødning, har på det seneste tiltrukket sig stor opmærksomhed, fordi det kan være en kilde til brint til brændselsceller, og det er lettere at fortætte og transportere end brint. På grund af sin enorme efterspørgsel, upcycling nitrat (NO₃ ^- ) fra ammoniumgødningsforurenet spildevand er opstået som et alternativ til at reproducere værdifuld ammoniak og gøre landbruget mere bæredygtigt.

I øjeblikket elektrokemisk nitratreduktionsreaktion (NO₃ RR) betragtes som en lovende løsning til ammoniaksyntese. Det omfatter hovedsageligt deoxygenerings- og hydrogeneringstrin (dvs. NO₃ ^- + 9H ⁺ + 8e ^- ➙ NH₃ + 3H₂ O) med metalbaserede elektrokatalysatorer.

"Men de uønskede biprodukter og den konkurrerende hydrogenudviklingsreaktion (HER) under NO3RR hæmmer tilsyneladende udbyttehastigheden af ​​ammoniakproduktion," sagde professor Fan Zhanxi, fra Institut for Kemi ved CityU, der ledede undersøgelsen.

I stedet for at modulere elektrokatalysatorernes størrelse eller dimension, som anden tidligere forskning gjorde, fokuserede professor Fans team på at forbedre de aktive steder, hvor substratmolekyler binder og katalyse finder sted på overfladen af ​​elektrokatalysatorerne.

"Ruthenium (Ru) er et spirende materiale som en elektrokatalysator for NO₃ RR, men det har også problemet med at favorisere HER, hvilket fører til, at dets aktive steder er stærkt besat af uønsket aktivt brint, hvilket efterlader utilstrækkeligt areal til nitratreduktion til ammoniak," forklarede professor Fan.

For at overvinde udfordringerne introducerede holdet et andet metal - jern (Fe) - for at modulere det atomare koordinationsmiljø på de aktive steder. Ved at ændre koordinationsmiljøet for Ru-stederne optimeres de elektroniske strukturer og overfladeegenskaber af Ru og dermed deres katalytiske aktivitet til fremstilling af ammoniak. For yderligere at forbedre elektrokatalysatorydelsen udviklede holdet en one-pot syntesetilgang til fremstilling af ultratynde nanoplader, der er samlet som en blomsterlignende struktur - kaldet RuFe nanoflowers.

Denne nye bimetalliske legering fremstillet elektrokatalysator har en meget stabil elektronisk struktur på grund af de komplementære orbitaler, der når effektiv elektronoverførsel og robuste valenstilstande, som også undertrykker den konkurrerende HER og sænker energibarriererne for NO₃ RR. Desuden målte de elektrokemisk aktive overfladesteder af RuFe nanoblomsterne 267,5 cm ² , meget større end de 105 cm ² for Ru-nanoark for at reaktionerne kan finde sted.

Bemærkelsesværdigt nok viste RuFe nanoblomster meget bedre elektrokemisk ydeevne med en enestående ladningsoverførselseffektivitet, kendt som faradaisk effektivitet (FE), på 92,9 % og et udbytte på 38,68 mg h ⁻¹ mgcat ⁻¹ ved −0,30 og −0,65 V for ammoniakproduktion, hvilket er næsten 6,9 gange større end for sålens Ru-nanoplader.

"Denne forskning indikerer et stort potentiale for RuFe nanoblomster i næste generations elektrokemiske energisystemer," sagde professor Fan. "Vi mener, at dette arbejde kan stimulere opfølgende undersøgelser af modulering af det atomare koordinationsmiljø af aktive steder i metalbaserede katalysatorer til ammoniakproduktion, hvilket yderligere fremmer et bæredygtigt nitrogenkredsløb for at opnå kulstoffri energi i fremtiden."

Flere oplysninger: Yunhao Wang et al., Atomic coordination environment engineering af bimetalliske legeringsnanostrukturer til effektiv ammoniakelektrosyntese fra nitrat, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2306461120

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af City University of Hong Kong