Ammoniak (NH3 ) betraktas som en lovande kolfri energibärare, men dess energiintensiva produktionsprocess utmanar fortfarande globala forskare. En forskargrupp ledd av City University of Hong Kong (CityU) konstruerade nyligen en bimetallisk legering som en ultratunn nanokatalysator som kan leverera kraftigt förbättrad elektrokemisk prestanda för att generera ammoniak från nitrat (NO3 - ), erbjuder stor potential för att få koldioxidneutralt bränsle i framtiden.
Resultaten publicerades i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ) under titeln "Atomic coordination environment engineering of bimetallic alloy nanostructures for efficient ammoniak electrosynthesis from nitrat."
Ammoniak, som ofta används i gödningsmedel, har nyligen väckt stor uppmärksamhet eftersom det kan utgöra en källa till väte för bränsleceller, och det är lättare att göra flytande och transportera än väte. På grund av dess enorma efterfrågan, upcycling nitrat (NO3 - ) från ammoniumgödselförorenat avloppsvatten har dykt upp som ett alternativ för att reproducera värdefull ammoniak och göra jordbruket mer hållbart.
För närvarande elektrokemisk nitratreduktionsreaktion (NO3 RR) anses vara en lovande lösning för ammoniaksyntes. Den omfattar huvudsakligen deoxygenerings- och hydreringssteg (dvs NO3). - + 9H + + 8e - ➙ NH3 + 3H2 O) med metallbaserade elektrokatalysatorer.
"Men de oönskade biprodukterna och den konkurrerande väteutvecklingsreaktionen (HER) under NO3RR hindrar uppenbarligen utbytet av ammoniakproduktion", säger professor Fan Zhanxi, vid Institutionen för kemi vid CityU, som ledde studien.
Istället för att modulera elektrokatalysatorernas storlek eller dimension, som annan tidigare forskning gjorde, fokuserade professor Fans team på att förbättra de aktiva platserna, där substratmolekyler binder och katalys äger rum på ytan av elektrokatalysatorerna.
"Ruthenium (Ru) är ett framväxande material som en elektrokatalysator för NO3 RR, men det har också problemet att gynna HER, vilket leder till att dess aktiva platser är mycket ockuperade av oönskat aktivt väte, vilket lämnar otillräcklig yta för nitratreduktion till ammoniak", förklarade professor Fan.
För att övervinna utmaningarna introducerade teamet en annan metall - järn (Fe) - för att modulera den atomära koordinationsmiljön för de aktiva platserna. Genom att ändra koordinationsmiljön för Ru-platserna optimeras de elektroniska strukturerna och ytegenskaperna hos Ru och därmed deras katalytiska aktivitet för att producera ammoniak. För att ytterligare förbättra elektrokatalysatorprestandan utvecklade teamet en syntesmetod för en kruka för att göra ultratunna nanoark som är sammansatta som en blomliknande struktur – kallade RuFe nanoflowers.
Denna nya elektrokatalysator tillverkad av bimetalllegering har en mycket stabil elektronisk struktur tack vare de komplementära orbitaler som når effektiv elektronöverföring och robusta valenstillstånd, vilket också undertrycker det konkurrerande HER och sänker energibarriärerna för NO3 RR. Dessutom mätte de elektrokemiskt aktiva ytplatserna för RuFe nanoblommorna 267,5 cm 2 , mycket större än 105 cm 2 för Ru-nanosheets för att reaktionerna ska äga rum.
Anmärkningsvärt nog visade RuFe nanoblommor mycket bättre elektrokemisk prestanda, med en enastående laddningsöverföringseffektivitet, känd som faradaisk effektivitet (FE), på 92,9 % och en avkastning på 38,68 mg h −1 mgcat −1 vid −0,30 och −0,65 V för ammoniakproduktion, vilket är nästan 6,9 gånger högre än för tunga Ru-nanoskivor.
"Denna forskning indikerar stor potential för RuFe nanoblommor i nästa generations elektrokemiska energisystem", säger professor Fan. "Vi tror att detta arbete kan stimulera uppföljningsstudier om att modulera den atomära koordinationsmiljön för aktiva platser i metallbaserade katalysatorer för ammoniakproduktion, vilket ytterligare främjar en hållbar kvävecykel för att uppnå kolfri energi i framtiden."
Mer information: Yunhao Wang et al, Atomic coordination environment engineering av bimetalliska legeringsnanostrukturer för effektiv ammoniakelektrosyntes från nitrat, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2306461120
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av City University of Hong Kong
