En skålaktiv plats på den intermetalliska lantanidelektriden, sammansatt av fyra ytla kationer och en si-atom under ytan, spelar nyckelrollen i effektiv katalys av N2 –till–NH3 omvandling genom att bryta skalningsrelationerna genom specifika elektrostatiska interaktioner. denna skålaktiva plats presenterar således ett designkoncept av högeffektiv heterogen katalysator för N2 –till–NH3 omvandling. Kredit:Chinese Journal of Catalysis
N2 -till-NH3 omvandling är en grundläggande kemisk process för att tillföra kväve till modern industri och jordbruk. Enorma ansträngningar har gjorts sedan Haber-Bosch-processen uppfanns, men det är fortfarande en utmanande uppgift att leverera N2 -till-NH3 omvandling vid milda förhållanden.
En allmän fråga uppstår från skalningsrelationerna, som skapar en uppenbar motsättning mellan en katalysators förmåga att aktivera N2 och för att släppa NH3 . Detta resulterar i en vulkankurva för den katalytiska aktiviteten för N2 -till-NH3 omvandling, och utgör således en gräns för den katalytiska prestandan genom den optimala katalysatordesignen.
Detta är Sabatier-principen för katalysatordesignen, som säger att adsorptionen av en relevant intermediär på den optimala katalysatorn varken ska vara för stark eller för svag. Med andra ord bör den optimala katalysatorn vara en kompromiss. Därför är det tilltalande att identifiera och belysa de katalytiska processer som inte dikteras av skalningsrelationerna, för att designa högeffektiva heterogena katalysatorer bortom kompromissen.
Nyligen undersökte en forskargrupp ledd av professor Hai Xiao vid Tsinghua University, Kina de termokatalytiska mekanismerna för N2 -till-NH3 omvandling på den intermetalliska elektroden LaRuSi genom beräkningar av de första principerna. De finner att en skålaktiv plats, sammansatt av yt-La-katjoner och negativt laddad underjordisk Si-atom som härstammar från elektridnaturen, är nyckeln till effektiv katalys av N2 -till-NH3 omvandling.
De elektrostatiska och orbitala interaktionerna mellan denna skåls aktiva plats och reaktionsintermediärer förbättrar N2 avsevärt aktivering som resulterar i negativt laddat N2 för enkel klyvning av NN-bindning, samtidigt som adsorptionerna av NHx destabiliseras (x =1, 2, 3) arter som innehåller positivt laddade H-atomer, vilket underlättar desorptionen av den slutliga NH3 produkt. Det är denna speciella skålaktiva sida som består av f -block La-katjoner och elektrid Si-anjon som bryter skalningsförhållandena för högeffektiv N2 -till-NH3 konvertering.
I jämförelse med andra intermetalliska elektridkatalysatorer som är isostrukturella för LaRuSi, bekräftar de uttryckligen brytandet av skalningsrelationer mellan adsorptionerna av NHx arter och N. De adaptiva elektrostatiska interaktionerna som utövas av skålens aktiva plats spelar nyckelrollen för att bryta skalningsrelationerna för N2 -till-NH3 omvandling.
De identifierar också den möjliga närvaron av liknande skålaktiva ställen i andra typer av högeffektiva heterogena katalysatorer. Därför föreslår de denna skålaktiva plats med adaptiva elektrostatiska interaktioner som ett designkoncept, som ger nya insikter om designen av högeffektiva heterogena katalysatorer för N2 –till–NH3 omvandling, såväl som andra katalytiska reaktioner som dikteras av skalningsrelationerna.
Resultaten publicerades i Chinese Journal of Catalysis . + Utforska vidare
