Verwendung eines Schalenstruktur-Designs für aktive Stellen, um die Skalierungsbeziehungen für die Umwandlung von Stickstoff in Ammoniak aufzuheben

Die Umwandlung von N2 in NH3 ist ein grundlegender chemischer Prozess zur Bereitstellung von Stickstoff für die moderne Industrie und Landwirtschaft. Seit der Erfindung des Haber-Bosch-Verfahrens wurden enorme Anstrengungen unternommen, aber es ist immer noch eine herausfordernde Aufgabe, die Umwandlung von N2 in NH3 unter milden Bedingungen zu erreichen.

Ein allgemeines Problem ergibt sich aus den Skalierungsbeziehungen, die einen offensichtlichen Widerspruch zwischen den Fähigkeiten eines Katalysators zur Aktivierung von N2 und zur Freisetzung von NH3 auferlegen. Dies führt zu einer Vulkankurve der katalytischen Aktivität für die N2-zu-NH3-Umwandlung und stellt somit eine Grenze für die katalytische Leistung durch das optimale Katalysatordesign dar.

Dies ist das Sabatier-Prinzip für das Katalysatordesign, das besagt, dass die Adsorption eines relevanten Intermediats am optimalen Katalysator weder zu stark noch zu schwach sein sollte. Mit anderen Worten, der optimale Katalysator sollte ein Kompromiss sein. Daher ist es reizvoll, die katalytischen Prozesse zu identifizieren und aufzuklären, die nicht von den Skalierungsverhältnissen diktiert werden, um hocheffiziente heterogene Katalysatoren jenseits des Kompromisses zu entwerfen.

Kürzlich untersuchte ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Hai Xiao an der Tsinghua-Universität in China die thermokatalytischen Mechanismen für die N2-zu-NH3-Umwandlung am intermetallischen Elektrid LaRuSi durch First-Principle-Rechnungen. Sie fanden heraus, dass ein schüsselaktives Zentrum, bestehend aus La-Kationen an der Oberfläche und negativ geladenen Si-Atomen unter der Oberfläche, die aus der Natur der Elektride stammen, der Schlüssel zur effizienten Katalyse der N2-zu-NH3-Umwandlung ist.

Die elektrostatischen und orbitalen Wechselwirkungen zwischen diesem aktiven Zentrum der Schale und Reaktionszwischenprodukten verstärken die N2-Aktivierung erheblich, was zu negativ geladenem N2 für die leichte Spaltung der NN-Bindung führt, während die Adsorptionen von NH destabilisiert werdenx (x = 1, 2, 3) Spezies, die positiv geladene H-Atome enthalten, was die Desorption des Endprodukts NH3 erleichtert. Es ist diese besondere aktive Stelle der Schale, aus der es besteht f-blockieren La-Kationen und Elektrid-Si-Anionen, die die Skalierungsbeziehungen für eine hocheffiziente N2-zu-NH3-Umwandlung aufheben.

Im Vergleich mit anderen intermetallischen Elektridkatalysatoren, die isostrukturell zu LaRuSi sind, bestätigen sie ausdrücklich die Aufhebung der Skalierungsbeziehungen zwischen den Adsorptionen von NHx Spezies und die von N. Die adaptiven elektrostatischen Wechselwirkungen, die durch das aktive Zentrum der Schüssel ausgeübt werden, spielen die Schlüsselrolle bei der Aufhebung der Skalierungsbeziehungen für die N2-zu-NH3-Umwandlung.

Sie identifizieren auch das mögliche Vorhandensein ähnlicher aktiver Schalenstellen in anderen Arten von hocheffizienten heterogenen Katalysatoren. Daher schlagen sie dieses schalenförmige aktive Zentrum mit adaptiven elektrostatischen Wechselwirkungen als Designkonzept vor, das neue Einblicke in das Design von hocheffizienten heterogenen Katalysatoren für die Umwandlung von N2 in NH3 sowie andere katalytische Reaktionen gibt, die durch die Skalierung diktiert werden Beziehungen.

Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Chinesisches Journal für Katalyse.