Den elektrokemiska omvandlingen av kväve till ammoniak är det mest lovande alternativet för den traditionella Haber-Bosch-processen för att uppnå kvävefixering under omgivande förhållanden. I denna strategi, aktivering av högenergi trippelbindningar av kväve är den viktigaste flaskhalsen, och betraktas vanligen som det hastighetsbestämande steget för ammoniaksyntes. Forskare baserade i Kina har framgångsrikt ändrat det hastighetsbestämande steget för elektrokemisk kvävereduktion, och skisserade vägledning för framtida design av katalysatorer.

Ammoniak är en generisk föregångare för tillverkning av gödningsmedel och de flesta kvävehaltiga organiska kemikalier. Hittills, industriell ammoniakproduktion bedrivs huvudsakligen genom Haber-Bosch-processen, där kväve fixeras med hjälp av det kemiska reduktiva vätet. Dock, trots mer än 100 års utveckling, denna process kräver fortfarande hårda förhållanden, inklusive höga temperaturer (673-873 K) och tryck (20-40 MPa), står för 1,5% av världens energiförbrukning. I detta sammanhang, Det är en hållbar och mindre energikrävande teknik för att producera ammoniak.

En alternativ metod för att uppnå N2 -fixering under omgivande förhållanden är den elektrokatalytiska N2 -reduktionsreaktionen (NRR) med protoner från vatten som vätekälla och drivs av förnybara elkällor. Dock, i praktiken, det är fortfarande svårt att uppnå önskvärd NRR -prestanda, vilket orsakar stor energiförlust. Den viktigaste utmaningen ligger i aktiveringen av den inerta kväve-kväve trippelbindningen, som i allmänhet betraktas som det räntebestämmande steget. I detta sammanhang, mycket aktiva katalysatorer som kan förändra det hastighetsbestämande steget för elektrokemisk ammoniaksyntes representerar en idealisk kandidat för ammoniaksyntes.

I en ny forskningsartikel publicerad i Beijing-baserade National Science Review , forskare vid Soochow University i Suzhou, Kina, presentera de senaste framstegen när det gäller att övervinna flaskhalsen för ambient ammoniaksyntes. Medförfattare Sisi Liu, Mengfan Wang, Haoqing Ji, Xiaowei Shen, Chenglin Yan och Tao Qian har framgångsrikt förändrat det hastighetsbestämande steget för ambient ammoniaksyntes genom avsiktlig introduktion av kobolt-ena kluster som elektrondonerande promotor i kväve-dopat kol, och uppnådde en enastående ammoniakavkastningshastighet på 76,2 μg h-1 mg-1, med överlägsen Faradaic -effektivitet på 52,9%. Med denna strategi, den överlägsna prestandan skulle kraftigt minska systemets energiförlust och minska den grundläggande kostnaden, vilket bidrar till framtida praktiska tillämpningar.

Dessa forskare beskriver också de potentiella utvecklingsriktningarna för framtida elektrokatalysatorer för hållbara NRR -system. "När kemiskt adsorberas i Co -klustret, N2 aktiveras spontant och upplever en signifikant försvagning av kväve-kväve-trippelbindningen på grund av den starka elektronbacksdonationen från metallen till de N2-antibindande orbitalerna, och N2 -dissociationen blir en exoterm process över koboltens enda kluster, "säger prof. Tao Qian." Således, det hastighetsbestämmande steget har framgångsrikt flyttats från den vanliga N2-aktiveringen till den efterföljande hydreringen med endast en liten energibarriär på 0,85 eV. "