Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Электрокатализаторы сталкиваются со значительными трудностями, связанными с выполнением первого протонирования

Электрокатализаторы сталкиваются со значительными трудностями, связанными с выполнением первого протонирования
Электрокатализаторы сталкиваются со значительными трудностями, связанными с выполнением первого протонирования

Аммиак (NH 3 ) является важным удобрением и химическим веществом для человеческого общества; однако его производство по традиционному процессу Габера-Боша требует значительного количества энергии из ископаемого топлива и приводит к огромным выбросам углекислого газа. Электрокаталитическое восстановление азота (N 2 ) до NH 3 с использованием возобновляемых источников энергии в экологически чистых и мягких условиях представляет собой очень привлекательное решение для достижения углеродной нейтральности.

Несмотря на недавний значительный прогресс, электрокаталитическая реакция восстановления азота (eNRR) все еще страдает от ограниченной селективности и активности. Это связано со сверхстабильностью тройной связи N≡N. Теоретические и экспериментальные усилия показали, что электрокатализаторы всегда сталкиваются со значительными трудностями, связанными с эффективной активацией N 2 и выполнением первого протонирования N 2 с образованием NNH* на стадии определения скорости (RDS).

Одной из стратегий преодоления вышеуказанного ограничения eNRR является вовлечение в каталитические реакции мультиреакционных центров, точно так же, как каталитически активные центры в талантливых металлоферментах. Например, в Fe-нитрогеназе атом S, соседний с Fe-центром, функционирует как сокаталитический центр для связывания протонов (H*), который электростатически активирует молекулу N 2 , адсорбированную Fe-центром, до оптимального состояния и обеспечивает H* для гидрирования N2.

Такое тесное взаимодействие между металлическим центром и его координационными атомами позволяет нитрогеназе достигать сверхвысокой активности и селективности. Следовательно, можно ожидать, что синергетическая работа нескольких каталитических центров на поверхности катализатора может значительно повысить активность и селективность eNRR.

Недавно исследовательская группа под руководством профессора Тао Линга из Тяньцзиньского университета, Китай, предложила реализовать синергетическую работу многореакционных площадок для преодоления ограничений устойчивого производства NH 3 . Здесь, используя катализатор рутений-сера-углерод (Ru-SC) в качестве прототипа, исследователи показали, что двойной сайт Ru/S взаимодействует для катализа eNRR в условиях окружающей среды.

Комбинируя теоретические расчеты, рамановскую спектроскопию in situ и экспериментальные наблюдения, исследователи продемонстрировали, что такое сотрудничество двух центров Ru/S значительно облегчает активацию и первое протонирование N 2 на определяющей скорость стадии eNRR. В результате катализатор Ru-SC продемонстрировал значительно улучшенную эффективность eNRR по сравнению с обычным катализатором Ru-NC за счет каталитического механизма с одним центром.

Специально разработанный совместный каталитический механизм на двух площадках может открыть новые возможности для развития устойчивого производства NH3.

Результаты были опубликованы в китайском журнале Catalysis.

В тренде