Ett team av forskare har avslöjat ett lovande alternativ till det konventionella sättet att syntetisera ammoniak, ett som är mer miljövänligt.
Detaljer om deras forskning publicerades i Journal of Materials Chemistry A den 21 februari 2024.
När Fritz Haber och Carl Bosch uppfann ett sätt att syntetisera ammoniak från kväve och vätgas i början av 1900-talet, möjliggjorde produktionen av kemikalien på industriell nivå. Än idag är Haber-Bosch-syntesen fortfarande det dominerande sättet att producera ammoniak.
Ändå har metoden vissa miljömässiga nackdelar. Det är energi- och resurskrävande, och att producera vätgas involverar ofta naturgas, som frigör koldioxid som en biprodukt.
Den elektrokemiska kvävereduktionsreaktionen (ENRR), där kvävgas från luften kan omvandlas till ammoniak med hjälp av en elektrisk ström, ses som ett lovande och hållbart alternativ. Att sträva efter högpresterande och kostnadseffektiva ENRR-katalysatorer är dock en öppen utmaning för att uppnå kommersiell omgivande ammoniakproduktion.
"Vi undersökte potentialen hos mindre värdefulla övergångsmetalldisulfider (TMS2 ) som katalysatorer för ENRR", säger Hao Li, docent vid Tohoku Universitys Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) och motsvarande författare till artikeln. "Genom noggrann analys av elektrokemi-inducerade yttillstånd upptäckte vi en tidigare okänd faktor bidrar till deras höga ENRR-prestanda:S-vakansgenerering."
Li och hans kollegor började med en typisk ENRR TMS2 katalysator, järndisulfid (FeS2 ), där de observerade att under ENRR-förhållanden kan S-vakanser lätt genereras på katalysatorytan. Genom avancerade beräkningssimuleringar visade de att denna elektrokemi-drivna "in situ"-generering av S-vakanser avsevärt förbättrar ENRR-aktivitet genom att främja starkare N–N-adsorption och aktivering.
Experimentella observationer bekräftade deras fynd, som också överensstämde med nyare litteratur om ENRR-potentialfönster som når maximal faradaisk effektivitet – måttet på effektiviteten av en elektrokemisk process för att omvandla elektrisk energi till kemisk energi eller vice versa.
Deras analys utvidgades även till andra TMS2 katalysatorer (SnS2 , MoS2 , NiS2 och VS2 ), som avslöjar ett universellt fenomen med "in situ" generering av S-vakanser under ENRR-potentialer.
"Vår forskning understryker den kritiska vikten av att överväga yttillstånd i utformningen av ENRR-katalysatorer," tillägger Li. "Genom att belysa S-vakansernas roll har vi tillhandahållit en värdefull färdplan för att förbättra ENRR-prestanda och påskynda övergången till hållbar ammoniakproduktion."
Mer information: Tianyi Wang et al., Origin of electrocatalytic nitrogen reduction activity over transition metal disulfides:critical role of in situ generation of S-vakans, Journal of Materials Chemistry A (2024). DOI:10.1039/D4TA00307A
Journalinformation: Journal of Materials Chemistry A
Tillhandahålls av Tohoku University
