Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Zhang Haimin vom Hefei Institute of Physical Science (HFIPS) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat über seine Entdeckung von Dodecanthiol-modifiziertem metallischem Rhodium (Rh) für leistungsstarken elektrokatalytischen Stickstoff (N2) zu Ammoniak berichtet.
Der in dieser Studie angewandte Ansatz der Grenzflächentechnik ist laut dem Team sehr hilfreich bei der Entwicklung effizienter Elektrokatalysatoren für die Stickstoffreduktionsreaktion (NRR) für die Ammoniaksynthese unter Umgebungsbedingungen. Entsprechende Ergebnisse wurden in veröffentlicht Nanoforschung.
Im Vergleich zum Haber-Bosch-Ammoniaksyntheseverfahren mit anspruchsvollen Reaktionsbedingungen und hohem Energieverbrauch kann die elektrokatalytische NRR bei Raumtemperatur und -druck durchgeführt werden, und die Wasserstoffquelle ist Wasser. Daher hat es einen wichtigen wissenschaftlichen Forschungswert und eine industrielle Anwendbarkeit.
Der Nicht-Dipol und die geringe Löslichkeit von Stickstoff erschweren jedoch die Adsorption an der Katalysatoroberfläche und seine Aktivierung. Außerdem sind Elektrolyte eine natürliche Protonenquelle. Die durch die Wasserspaltung erzeugten Protonen haben im Vergleich zu N2 eine geringere Aktivierungsenergie, sodass die Reaktionsorte leichter von Protonen besetzt werden. Die Anzahl der aktiven Stellen für NRR wurde verringert, was zu einer geringeren Ausbeute an Ammoniak führte.
In dieser Studie wurde das mit Dodecanthiol modifizierte Rh über eine einfache hydrothermale Reaktion mit gesättigtem Dodecanthiol in der Dampfphase, gefolgt von einem Niedertemperatur-Pyrolyseprozess, hergestellt. Die hydrophoben Dodecanthiolmoleküle auf der Rh-Oberfläche erzeugten einen Stereohinderungseffekt, der die Diffusion von Wassermolekülen oder H+ zur Metalloberfläche hemmte und die N2-Adsorption erleichterte, wodurch die NRR-Selektivität verbessert wurde.
Darüber hinaus enthüllten Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen, dass sowohl die Oberflächenbedeckung mit Wasserstoff (H*) als auch die NRR-Reaktionsenergiebarriere nach der Dodecanthiol-Modifikation verringert wurden, wodurch die NRR-Leistung stark verbessert wurde.
Diese Studie liefert neue Einblicke in die Wirkung der metallorganischen Grenzfläche und der H*-Bedeckung auf die elektrochemische NRR-Aktivität.
Meng Jin et al, Grenzflächentechnik von metallischem Rhodium durch Thiolmodifikationsansatz für die Umgebungselektrosynthese von Ammoniak, Nanoforschung (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-4585-y