Nanokatalysator van een bimetaallegering verhoogt de efficiënte productie van ammoniak met potentieel voor koolstofvrije energie

Ammoniak (NH₃) wordt beschouwd als een veelbelovende koolstofvrije energiedrager, maar het energie-intensieve productieproces ervan daagt mondiale wetenschappers nog steeds uit. Een onderzoeksteam onder leiding van de City University of Hong Kong (CityU) heeft onlangs een bimetaallegering ontwikkeld als een ultradunne nanokatalysator die sterk verbeterde elektrochemische prestaties kan leveren bij het genereren van ammoniak uit nitraat (NO₃^–), wat een groot potentieel biedt voor het verkrijgen van koolstofneutrale brandstof in de toekomst.

De bevindingen waren gepubliceerd in het journaal de Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen (PNAS) onder de titel “Atomische coördinatieomgevingstechniek van nanostructuren van bimetaallegeringen voor efficiënte ammoniak-elektrosynthese uit nitraat.”

Ammoniak, dat vaak in kunstmest wordt gebruikt, heeft de laatste tijd veel aandacht getrokken omdat het een bron van waterstof voor brandstofcellen kan zijn en gemakkelijker vloeibaar te maken en te transporteren is dan waterstof. Vanwege de enorme vraag is het upcyclen van nitraat (NO₃^–) uit met ammoniummest vervuild afvalwater is naar voren gekomen als alternatief voor het reproduceren van waardevolle ammoniak en het verduurzamen van de landbouw.

Momenteel wordt een elektrochemische nitraatreductiereactie (NO₃RR) wordt beschouwd als een veelbelovende oplossing voor de ammoniaksynthese. Het omvat voornamelijk deoxygenatie- en hydrogeneringsstappen (dwz NO₃^– + 9U⁺ + 8e^– ➙ NH₃ + 3H₂O) met elektrokatalysatoren op metaalbasis.

“De ongewenste bijproducten en de concurrerende waterstofevolutiereactie (HER) tijdens NO3RR belemmeren echter blijkbaar de opbrengst van de ammoniakproductie”, zegt professor Fan Zhanxi van de afdeling chemie van CityU, die het onderzoek leidde.

In plaats van de grootte of dimensie van de elektrokatalysatoren te moduleren, zoals bij ander eerder onderzoek gebeurde, concentreerde het team van professor Fan zich op het verbeteren van de actieve plaatsen, waar substraatmoleculen binden en katalyse plaatsvindt op het oppervlak van de elektrokatalysatoren.

“Ruthenium (Ru) is een opkomend materiaal als elektrokatalysator voor NO₃RR, maar het heeft ook het probleem dat het HER bevoordeelt, wat ertoe leidt dat de actieve locaties in hoge mate worden bezet door ongewenste actieve waterstof, waardoor er onvoldoende ruimte overblijft voor nitraatreductie tot ammoniak, “legde professor Fan uit.

Om de uitdagingen het hoofd te bieden, introduceerde het team een ​​ander metaal – ijzer (Fe) – om de atomaire coördinatieomgeving van de actieve locaties te moduleren. Door de coördinatieomgeving van de Ru-locaties te veranderen, worden de elektronische structuren en oppervlakte-eigenschappen van Ru en daarmee hun katalytische activiteit voor de productie van ammoniak geoptimaliseerd. Om de prestaties van de elektrokatalysator verder te verbeteren, ontwikkelde het team een ​​één-pot-synthesebenadering voor het maken van ultradunne nanosheets die zijn samengesteld als een bloemachtige structuur, genaamd RuFe nanoflowers.

Deze nieuwe, uit een bimetaallegering vervaardigde elektrokatalysator bezit een zeer stabiele elektronische structuur dankzij de complementaire orbitalen die efficiënte elektronenoverdracht en robuuste valentietoestanden bereiken, die ook de competitieve HER onderdrukt en de energiebarrières voor NO verlaagt.₃RR. Bovendien waren de elektrochemisch actieve oppervlakteplaatsen van de RuFe-nanobloemen 267,5 cm2²veel groter dan de 105 cm² voor Ru-nanosheets om de reacties te laten plaatsvinden.

Opmerkelijk is dat RuFe-nanobloemen veel betere elektrochemische prestaties vertoonden, met een uitstekende ladingsoverdrachtsefficiëntie, bekend als faradaïsche efficiëntie (FE), van 92,9% en een opbrengstpercentage van 38,68 mg h.⁻¹ mgkat⁻¹ bij −0,30 en −0,65 V voor de productie van ammoniak, wat bijna 6,9 keer zo groot is als die van enige Ru-nanosheets.

“Dit onderzoek wijst op een groot potentieel voor RuFe-nanobloemen in elektrochemische energiesystemen van de volgende generatie”, zegt professor Fan. “Wij geloven dat dit werk vervolgstudies kan stimuleren over het moduleren van de atomaire coördinatieomgeving van actieve locaties in op metaal gebaseerde katalysatoren voor de productie van ammoniak, waardoor een duurzame stikstofcyclus verder wordt bevorderd om in de toekomst koolstofvrije energie te bereiken.”