Wetenschap
Onderzoekers stellen elektrokatalytische ammoniaksynthese voor als een milieuvriendelijkere methode
Een team van onderzoekers heeft een veelbelovend alternatief onthuld voor de conventionele manier om ammoniak te synthetiseren, een alternatief dat milieuvriendelijker is.
Details van hun onderzoek zijn gepubliceerd in het Journal of Materials Chemistry A op 21 februari 2024.
Toen Fritz Haber en Carl Bosch begin 20e eeuw een middel uitvonden om ammoniak uit stikstof- en waterstofgas te synthetiseren, werd de productie van de chemische stof op industrieel niveau mogelijk. Tot op de dag van vandaag blijft de Haber-Bosch-synthese het dominante middel voor de productie van ammoniak.
Toch heeft de methode enkele ecologische nadelen. Het is energie- en grondstoffenintensief, en bij de productie van waterstofgas is vaak aardgas nodig, waarbij als bijproduct koolstofdioxide vrijkomt.
De elektrochemische stikstofreductiereactie (ENRR), waarbij stikstofgas uit de lucht met behulp van elektrische stroom kan worden omgezet in ammoniak, wordt gezien als een veelbelovend en duurzaam alternatief. Het nastreven van hoogwaardige en kosteneffectieve ENRR-katalysatoren is echter een open uitdaging voor het realiseren van ammoniakproductie op commerciële schaal.
"We hebben het potentieel van minder kostbare overgangsmetaaldisulfiden (TMS2) onderzocht ) als katalysatoren voor ENRR", zegt Hao Li, universitair hoofddocent aan het Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) van Tohoku University en corresponderende auteur van het artikel. "Door nauwgezette analyse van door elektrochemie geïnduceerde oppervlaktetoestanden hebben we een voorheen onbekende factor blootgelegd bijdragen aan hun hoge ENRR-prestaties:het genereren van S-vacatures."
Li en zijn collega's begonnen met een typische ENRR TMS2 katalysator, ijzerdisulfide (FeS2 ), waar ze observeerden dat onder ENRR-omstandigheden gemakkelijk S-vacatures op het katalysatoroppervlak kunnen worden gegenereerd. Door middel van geavanceerde computationele simulaties hebben ze aangetoond dat deze door elektrochemie aangestuurde "in situ" generatie van S-vacatures de ENRR-activiteit aanzienlijk verbetert door sterkere N-N-adsorptie en -activatie te bevorderen.
Experimentele waarnemingen bevestigden hun bevindingen, die ook consistent waren met recente literatuur over potentiële ENRR-vensters die maximale Faradaïsche efficiëntie bereiken – de maatstaf voor de effectiviteit van een elektrochemisch proces bij het omzetten van elektrische energie in chemische energie of omgekeerd.
Hun analyse breidde zich ook uit naar andere TMS2 katalysatoren (SnS2 , MoS2 , NiS2 , en VS2 ), wat een universeel fenomeen onthult van het "in situ" genereren van S-vacatures onder ENRR-potentieel.
"Ons onderzoek onderstreept het cruciale belang van het overwegen van oppervlaktetoestanden bij het ontwerp van ENRR-katalysatoren", voegt Li toe. "Door licht te werpen op de rol van S-vacatures hebben we een waardevolle routekaart opgeleverd voor het verbeteren van de ENRR-prestaties en het versnellen van de transitie naar duurzame ammoniakproductie."