La conversion de N2 en NH3 est un processus chimique fondamental pour fournir de l’azote à l’industrie et à l’agriculture modernes. D’énormes efforts ont été déployés depuis l’invention du procédé Haber-Bosch, mais la conversion de N2 en NH3 dans des conditions douces reste une tâche difficile.
Un problème général découle des relations d’échelle, qui imposent une apparente contradiction entre les capacités d’un catalyseur à activer N2 et à libérer NH3. Cela se traduit par une courbe volcanique de l’activité catalytique pour la conversion de N2 en NH3, et pose ainsi une limite sur les performances catalytiques par la conception optimale du catalyseur.
C’est le principe de Sabatier pour la conception du catalyseur, qui stipule que l’adsorption d’un intermédiaire pertinent sur le catalyseur optimal ne doit être ni trop forte ni trop faible. En d’autres termes, le catalyseur optimal devrait être un compromis. Par conséquent, il est intéressant d’identifier et d’élucider les processus catalytiques qui ne sont pas dictés par les relations d’échelle, afin de concevoir des catalyseurs hétérogènes très efficaces au-delà du compromis.
Récemment, une équipe de recherche dirigée par le professeur Hai Xiao de l’Université Tsinghua, en Chine, a étudié les mécanismes thermocatalytiques de la conversion N2 en NH3 sur l’électride intermétallique LaRuSi par des calculs de premiers principes. Ils ont découvert qu’un site actif de bol, composé de cations La de surface et d’atomes de Si sous la surface chargés négativement provenant de la nature de l’électride, est la clé d’une catalyse efficace de la conversion N2 en NH3.
Les interactions électrostatiques et orbitales entre ce site actif de bol et les intermédiaires de réaction améliorent considérablement l’activation de N2 qui se traduit par N2 chargé négativement pour un clivage facile de la liaison NN, tout en déstabilisant les adsorptions de NHX (X = 1, 2, 3) espèces qui contiennent des atomes H chargés positivement, ce qui facilite la désorption du produit NH3 final. C’est ce site actif de bol particulier composé de F-bloquer les cations La et l’anion électride Si qui rompt les relations d’échelle pour une conversion N2 en NH3 très efficace.
Par comparaison avec d’autres catalyseurs à électrures intermétalliques isostructuraux au LaRuSi, ils confirment explicitement la rupture des relations d’échelle entre les adsorptions de NHX espèce et celle de N. Les interactions électrostatiques adaptatives exercées par le site actif du bol jouent le rôle clé dans la rupture des relations d’échelle pour la conversion de N2 en NH3.
Ils identifient également la présence possible de sites actifs bol similaires dans d’autres types de catalyseurs hétérogènes hautement efficaces. Ainsi, ils proposent ce site actif de bol avec des interactions électrostatiques adaptatives en tant que concept de conception, qui jette de nouvelles idées sur la conception de catalyseurs hétérogènes hautement efficaces pour la conversion de N2 en NH3, ainsi que d’autres réactions catalytiques dictées par la mise à l’échelle. rapports.
Les résultats ont été publiés dans Journal chinois de catalyse.
Ya-Fei Jiang et al, Briser les relations d’échelle pour une conversion efficace de N2 en NH3 par une conception de site actif en bol : aperçu de LaRuSi et d’électrodes isostructurales, Journal chinois de catalyse (2022). DOI : 10.1016/S1872-2067(22)64129-9