Ammoniak (NH3) ist ein wichtiger Dünger und eine wichtige Chemikalie für die menschliche Gesellschaft; seine Herstellung nach dem traditionellen Haber-Bosch-Verfahren verbraucht jedoch beträchtliche Energie aus fossilen Brennstoffen und erzeugt massive Kohlendioxidemissionen. Angetrieben von erneuerbarer Energie bietet die elektrokatalytische Reduktion von Stickstoff (N2) zu NH3 unter umweltfreundlichen und milden Bedingungen eine äußerst attraktive Lösung für CO2-Neutralität.
Trotz der jüngsten bedeutenden Fortschritte leidet die elektrokatalytische Stickstoffreduktionsreaktion (eNRR) immer noch unter begrenzter Selektivität und Aktivität. Dies liegt an der Superstabilität der N≡N-Dreifachbindung. Theoretische und experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass die Elektrokatalysatoren immer vor der großen Herausforderung stehen, N2 effektiv zu aktivieren und die erste Protonierung von N2 zu NNH* im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt (RDS) zu bewerkstelligen.
Eine Strategie, um die obige Einschränkung von eNRR zu überwinden, besteht darin, Multireaktionsstellen in katalytische Reaktionen einzubeziehen, genau wie die katalytisch aktiven Stellen in talentierten Metalloenzymen. Beispielsweise fungiert in der Fe-Nitrogenase das dem Fe-Zentrum benachbarte S-Atom als cokatalytische Stelle, um Protonen (H * ) zu binden, die das vom Fe-Zentrum adsorbierte N2-Molekül elektrostatisch in den optimalen Zustand aktivieren und H * für bereitstellen die Hydrierung von N2.
Eine solch enge Zusammenarbeit zwischen dem Metallzentrum und seinen Koordinationsatomen ermöglicht es der Nitrogenase, eine ultrahohe Aktivität und Selektivität zu erreichen. Daher kann man erwarten, dass die synergetische Arbeit mehrerer katalytischer Stellen auf der Katalysatoroberfläche die Aktivität und Selektivität von eNRR signifikant verbessern kann.
Kürzlich hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Tao Ling von der Tianjin University, China, vorgeschlagen, eine synergetische Arbeit von Multireaktionsstellen zu realisieren, um die Begrenzung einer nachhaltigen NH3-Produktion zu überwinden. Hierin zeigten die Forscher unter Verwendung eines Ruthenium-Schwefel-Kohlenstoff (Ru-SC)-Katalysators als Prototyp, dass die Ru/S-Dual-Site kooperiert, um eNRR bei Umgebungsbedingungen zu katalysieren.
Mit der Kombination aus theoretischen Berechnungen, In-situ-Raman-Spektroskopie und experimenteller Beobachtung zeigten die Forscher, dass eine solche Ru/S-Kooperation an zwei Stellen die Aktivierung und erste Protonierung von N2 im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt von eNRR erheblich erleichterte. Infolgedessen zeigte der Ru-SC-Katalysator eine deutlich verbesserte eNRR-Leistung im Vergleich zum routinemäßigen Ru-NC-Katalysator über einen Single-Site-Katalysemechanismus.
Der speziell entwickelte kollaborative katalytische Mechanismus mit zwei Standorten könnte neue Möglichkeiten zur Förderung einer nachhaltigen NH3-Produktion bieten.
Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Chinesisches Journal für Katalyse..
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Liujing Yang et al, Zusammenarbeit an zwei Standorten verstärkt die elektrochemische Stickstoffreduktion an einem Ru-SC-Einzelatomkatalysator, Chinesisches Journal für Katalyse (2022). DOI: 10.1016/S1872-2067(22)64136-6