De elektrochemische omzetting van stikstof naar ammoniak is het meest veelbelovende alternatief van het traditionele Haber-Bosch-proces om stikstofbinding onder omgevingsomstandigheden te bereiken. Bij deze strategie activering van drievoudige stikstofbindingen met hoge energie is het belangrijkste knelpunt, en wordt algemeen beschouwd als de snelheidsbepalende stap van ammoniaksynthese. In China gevestigde wetenschappers hebben met succes de snelheidsbepalende stap van elektrochemische stikstofreductie veranderd, en schetste richtlijnen voor toekomstig ontwerp van katalysatoren.

Ammoniak is een generieke voorloper voor de productie van kunstmest en de meeste stikstofhoudende organische chemicaliën. Daten, industriële ammoniakproductie wordt voornamelijk uitgevoerd door het Haber-Bosch-proces, waarin stikstof wordt gefixeerd met behulp van het chemische reductiemiddel waterstof. Echter, ondanks meer dan 100 jaar ontwikkeling, dit proces vereist nog steeds zware omstandigheden, inclusief hoge temperaturen (673-873 K) en drukken (20-40 MPa), goed voor 1,5% van het wereldwijde energieverbruik. In deze context, het is een duurzame en minder energie-intensieve technologie om ammoniak te produceren essentieel.

Een alternatieve methode om N2-fixatie onder omgevingsomstandigheden te bereiken, is de elektrokatalytische N2-reductiereactie (NRR) met protonen uit water als waterstofbron en aangedreven door hernieuwbare elektriciteitsbronnen. Echter, in praktijk, het is nog steeds moeilijk om gewenste NRR-prestaties te bereiken, wat een groot energieverlies veroorzaakt. De belangrijkste uitdaging ligt in de activering van de inerte drievoudige stikstof-stikstofbinding, die algemeen wordt beschouwd als de snelheidsbepalende stap. In deze context, zeer actieve katalysatoren die de snelheidsbepalende stap van elektrochemische ammoniaksynthese zouden kunnen veranderen, vormen een ideale kandidaat voor ammoniaksynthese.

In een nieuw onderzoeksartikel gepubliceerd in het in Peking gevestigde Nationale wetenschappelijke recensie , wetenschappers aan de Soochow University in Suzhou, China, presenteren de nieuwste ontwikkelingen bij het overwinnen van het knelpunt van de synthese van ammoniak in de omgeving. Co-auteurs Sisi Liu, Mengfan Wang, Haoqing Ji, Xiaowei Shen, Chenglin Yan en Tao Qian hebben met succes de snelheidsbepalende stap van de synthese van ammoniak in de omgeving veranderd door opzettelijke introductie van enkele kobaltclusters als de elektronendonerende promotor in met stikstof gedoteerde koolstof, en behaalde een uitstekende ammoniakopbrengst van 76,2 μg h-1 mg-1, met een superieure Faraday-efficiëntie van 52,9%. Met deze strategie, de superieure prestaties zouden het energieverlies van het systeem aanzienlijk verminderen en de fundamentele kosten verlagen, zo bijdragen aan toekomstige praktische toepassingen.

Deze wetenschappers schetsen eveneens de mogelijke ontwikkelingsrichtingen van toekomstige elektrokatalysatoren voor duurzame NRR-systemen. "Wanneer chemisch geadsorbeerd op het Co-cluster, N2 wordt spontaan geactiveerd en ervaart een significante verzwakking van de stikstof-stikstof drievoudige binding vanwege de sterke elektronenterugdonatie van het metaal naar de N2-antibindende orbitalen, en de N2-dissociatie wordt een exotherm proces over de enkele kobaltcluster, " zegt prof. Tao Qian. "Dus, de snelheidsbepalende stap is met succes verschoven van de gebruikelijke N2-activering naar de daaropvolgende hydrogenering met slechts een kleine energiebarrière van 0,85 eV."