一组研究人员推出了一种有希望的替代传统合成氨方法的方法，这种方法更加环保。他们的研究细节发表在2024年2月21日的《材料化学杂志A》上。
20世纪初，弗里茨·哈伯(FritzHaber)和卡尔·博世(CarlBosch)发明了一种用氮气和氢气合成氨的方法，从而实现了该化学品的工业生产。直到今天，哈伯-博世合成法仍然是生产氨的主要方法。
然而该方法存在一些环境缺陷。它是能源和资源密集型的，生产氢气通常涉及天然气，并会释放二氧化碳作为副产品。
电化学氮还原反应(ENRR)可以利用电流将空气中的氮气转化为氨，被视为一种有前途且可持续的替代方案。然而，追求高性能和经济高效的ENRR催化剂是实现商业规模常温氨生产的一个公开挑战。
“我们探索了不太贵重的过渡金属二硫化物(TMS2)作为ENRR催化剂的潜力，”东北大学高级材料研究所(WPI-AIMR)副教授、该论文的通讯作者李浩(HaoLi)说。“通过对电化学引起的表面态进行细致分析，我们发现了一个以前未被认识到的导致其高ENRR性能的因素：S空位的产生。”
Li和他的同事从典型的ENRRTMS2催化剂二硫化铁(FeS2)开始，他们观察到在ENRR条件下，催化剂表面很容易产生S空位。通过先进的计算模拟，他们证明了这种电化学驱动的“原位”S-空位生成通过促进更强的N-N吸附和活化来显着增强ENRR活性。
实验观察证实了他们的发现，这也与最近关于ENRR电势窗口达到最大法拉第效率的文献一致——法拉第效率是电化学过程将电能转化为化学能或反之亦然的有效性的衡量标准。
他们的分析还扩展到其他TMS2催化剂(SnS2、MoS2、NiS2和VS2)，揭示了ENRR电势下“原位”S空位生成的普遍现象。
“我们的研究强调了ENRR催化剂设计中考虑表面状态的至关重要性，”Li补充道。“通过阐明S空缺的作用，我们为提高ENRR绩效和加速向可持续氨生产过渡提供了宝贵的路线图。”