Stimuleren van elektrokatalytische ammoniaksynthese van rhodiumkatalysator

Een onderzoeksteam onder leiding van prof. Zhang Haimin van de Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft hun ontdekking gerapporteerd van met dodecaanthiol gemodificeerd metallisch rhodium (Rh) voor hoogwaardige elektrokatalytische stikstof (N₂) tot ammoniak.

De interface-engineering die ze in deze studie hebben toegepast, is volgens het team zeer nuttig bij het ontwikkelen van efficiënte elektrokatalysatoren voor stikstofreductiereacties (NRR) voor ammoniaksynthese onder omgevingsomstandigheden. Gerelateerde resultaten zijn gepubliceerd in Nano-onderzoek.

Vergeleken met het Haber-Bosch ammoniaksyntheseproces met veeleisende reactieomstandigheden en een hoog energieverbruik, kan de elektrokatalytische NRR worden uitgevoerd bij kamertemperatuur en druk, en de bron van waterstof is water. Daarom heeft het een belangrijke wetenschappelijke onderzoekswaarde en haalbaarheid van industriële toepassingen.

De niet-dipool en de lage oplosbaarheid van stikstof maken het echter moeilijk om op het katalysatoroppervlak te adsorberen en geactiveerd te worden. Bovendien zijn elektrolyten een natuurlijke protonenbron. Vergeleken met N₂, de protonen die worden gegenereerd door watersplitsing hebben een lagere activeringsenergie, zodat de reactieplaatsen gemakkelijker door protonen worden ingenomen. Het aantal actieve plaatsen voor NRR werd verminderd, wat resulteerde in een lagere ammoniakopbrengst.

In deze studie werd de met dodecaanthiol gemodificeerde Rh vervaardigd via een gemakkelijke verzadigde hydrothermische reactie in de dampfase van dodecaanthiol, gevolgd door een pyrolyseproces bij lage temperatuur. De hydrofobe dodecaanthiolmoleculen op het Rh-oppervlak produceerden een stereobelemmerend effect, dat de diffusie van watermoleculen of H⁺ op metalen oppervlak en vergemakkelijkt N₂ adsorptie, waardoor de NRR-selectiviteit wordt verbeterd.

Bovendien onthulden dichtheid-functionele theorie-berekeningen dat de oppervlaktewaterstof (H *) dekking en de NRR-reactie-energiebarrière beide waren verminderd na dodecaanthiolmodificatie, waardoor de NRR-prestaties aanzienlijk werden verbeterd.

Deze studie biedt nieuwe inzichten in het effect van de metaal-organische interface en H*-dekking op de elektrochemische NRR-activiteit.