Ein Panoramablick auf die Lithium-vermittelte elektrochemische Distickstoff-Reduktionsreaktion

Das Haber-Bosch-Verfahren ist heute der industrielle Ansatz zur NH3-Erzeugung, der bei energieintensiven hohen Temperaturen und Drücken betrieben werden muss. Die Reduktion von Distickstoff (N2) durch Elektrokatalyse bietet einen alternativen Weg zur NH3-Erzeugung bei Umgebungsbedingungen, und in den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Elektrokatalysatoren untersucht.

Jedoch konnte selbst das beste berichtete katalytische System aufgrund der Trägheit von N2 nur eine unbefriedigende Leistung (wie die Selektivität und Produktionsrate von NH3) erreichen. Die Lithium-vermittelte N2-Reduktionsreaktion (Li-eN2RR) hat sich als vielversprechender Weg zur Förderung der elektrochemischen NH3-Synthese erwiesen.

Eine Gruppe von Forschern hat diesbezüglich die Reaktionsmechanismen, die entwickelten Katalysatoren und die beteiligten Elektrolyte basierend auf den neuesten Forschungsfortschritten von Li-eN2RR zusammengefasst. Sie weisen auch auf die Herausforderungen und mögliche Lösungsstrategien im Li-eN2RR hin.

Dies könnte einen Panoramablick auf das verwandte Gebiet bieten und die Entwicklung von Li-eN2RR für die Produktion von grünem NH3 erleichtern. Sunet al. veröffentlichte ihre Rezension in Industrielle Chemie & Materialien.

„Die elektrokatalytische Reduktion von N2 zur Herstellung von NH3 war Gegenstand umfangreicher Forschung, die von zahlreichen Wissenschaftlern mit Fachkenntnissen auf diesem Gebiet umfassend überprüft wurde“, sagte der korrespondierende Autor Zhenyu Sun, Professor an der Beijing University of Chemical Technology.

„Diese Übersichten liefern detaillierte Einblicke in die katalytische Leistung und die beteiligten Mechanismen, was für Forscher eine große Hilfe sein kann. Die NH3-Produktionsrate ist jedoch immer noch niedrig und liegt weit hinter den Anforderungen einer industriellen Anwendung zurück. Die Lithium-vermittelte N2-Reduktionsreaktion (Li -eN2RR) birgt ein großes Potenzial für die Produktion von NH3 unter Umgebungsbedingungen.“

„Daher bieten wir diesen umfassenden Überblick, um die jüngsten Fortschritte von Li-eN2RR zusammenzufassen. Diese Übersicht zeigt die grundlegenden Aspekte von Li-eN2RR, einschließlich der gemeinsamen Zusammensetzung von Elektrolyten, der Unterdrückung der Wasserstoffentwicklung, des Reaktionsmechanismus, der berichteten Elektrokatalysatoren und der Herausforderungen und Perspektiven, die sowohl für neue Personen in diesem Bereich hilfreich sein können als auch als wertvolle Ressource für Forscher, politische Entscheidungsträger und Fachleute aus der Industrie gleichermaßen dienen.“

Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt bei der Synthese von NH3 ist oft die Adsorption und Aktivierung von N2. Aufgrund der Trägheit von N2 ist es jedoch äußerst schwierig, die N≡N-Dreifachbindung zu brechen. Im Li-eN2RR-Prozess kann Li als Mediator verwendet werden, um N2 als Li3N zu fixieren, das sich anschließend in NH3 umwandelt.

„Es gab unterschiedliche Standpunkte zum Reaktionsmechanismus von Li-eN2RR. Wir bieten eine detaillierte Analyse der gemeldeten Mechanismen“, sagte Sun.

Drei verschiedene Mechanismen, einschließlich chemische N2-Spaltung und chemische Protonierung, N2-Aktivierung und Protonierung durch einen assoziativen Mechanismus und chemische N2-Spaltung und elektrochemische Protonierung, wurden mit ihren jeweiligen Reaktionsschritten eingeführt.

Der Abschnitt über die Reaktionsmechanismen von Li-eN2RR demonstriert die verschiedenen Wege der N2-Aktivierung und Hydrierung zur NH3-Produktion. „Durch die verschiedenen Mechanismen können wir ein umfassendes Verständnis von Li-eN2RR gewinnen, das das Design des katalytischen Systems leiten kann.“

Das rationale Design von Elektrokatalysatoren ist entscheidend für Li-eN2RR. Es gab einige Strategien für die Konstruktion der Elektroden, um eine verbesserte Leistung zu erzielen.

„Die Elektrokatalysatoren wurden zusammen mit ihren Designstrategien auf der Grundlage der beteiligten Metallspezies kategorisiert“, sagte Sun.

„Verschiedene Arten von Elektrokatalysatoren, einschließlich Edelmetallkatalysatoren wie Ru, Ag, Au; unedle Metallkatalysatoren wie Materialien auf Kupferbasis, Molybdän, Lithium-Flüssiglegierungssalz, Edelstahlgewebe; und Nichtmetallkatalysatoren wie auf Kohlenstoffbasis Materialien wurden umfassend überblickt. Es wurde ausführlich über ihre Leistung und die katalytisch aktiven Stellen in Li-eN2RR diskutiert, was das Design zukünftiger Katalysatoren für eine effiziente NH3-Produktion aufklären könnte.“

Ein weiterer wichtiger Bestandteil von Li-eN2RR sind die Elektrolyte. Laut Zhenyu Sun sollte der Untersuchung von Elektrolyten bei der elektrokatalytischen N2-Reduktion mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden, wenn man die Bedeutung von Elektrolyten für die Reaktion und für die N2-Auflösung berücksichtigt.

Einige Li-haltige Elektrolyte wurden für Li-eN2RR entwickelt, jedoch müssen noch weitere Anstrengungen unternommen werden, um die NH3-Ausbeute weiter zu verbessern. Dies erfordert die synergistische Arbeit zwischen den Elektrolyten und den Elektrokatalysatoren sowie die Untersuchung ihrer Grenzfläche.

„Das Hauptziel dieser Übersicht ist es, den Lesern ein klares Verständnis des aktuellen Forschungsfortschritts von Li-eN2RR zu vermitteln, das sich noch in einem frühen Stadium befindet, aber für die elektrokatalytische NH3-Produktion vielversprechend ist. Wir heben auch die Herausforderungen hervor und schlagen Strategien zu ihrer Überwindung vor . Wir hoffen, dass es hilfreich ist, die Entwicklung von Li-eN2RR in Richtung einer grünen NH3-Produktion voranzutreiben“, sagte Sun.