Chemical looping of metal nitride catalysts: low-pressure ammonia synthesis for energy storage

催化作用 氨生产 无机化学 化学 氮化物 氨 氢 吸附 氢气储存 金属 氮气 化学工程 物理化学 有机化学 工程类 图层(电子)
作者
Ronald Michalsky,Alexandru M. Avram,B. A. Peterson,Peter H. Pfromm,Andrew A. Peterson
出处
期刊:Chemical Science [Royal Society of Chemistry]
卷期号:6 (7): 3965-3974 被引量:227
标识
DOI:10.1039/c5sc00789e
摘要

The activity of many heterogeneous catalysts is limited by strong correlations between activation energies and adsorption energies of reaction intermediates. Although the reaction is thermodynamically favourable at ambient temperature and pressure, the catalytic synthesis of ammonia (NH3), a fertilizer and chemical fuel, from N2 and H2 requires some of the most extreme conditions of the chemical industry. We demonstrate how ammonia can be produced at ambient pressure from air, water, and concentrated sunlight as renewable source of process heat via nitrogen reduction with a looped metal nitride, followed by separate hydrogenation of the lattice nitrogen into ammonia. Separating ammonia synthesis into two reaction steps introduces an additional degree of freedom when designing catalysts with desirable activation and adsorption energies. We discuss the hydrogenation of alkali and alkaline earth metal nitrides and the reduction of transition metal nitrides to outline a promoting role of lattice hydrogen in ammonia evolution. This is rationalized via electronic structure calculations with the activity of nitrogen vacancies controlling the redox-intercalation of hydrogen and the formation and hydrogenation of adsorbed nitrogen species. The predicted trends are confirmed experimentally with evolution of 56.3, 80.7, and 128 μmol NH3 per mol metal per min at 1 bar and above 550 °C via reduction of Mn6N2.58 to Mn4N and hydrogenation of Ca3N2 and Sr2N to Ca2NH and SrH2, respectively.
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