Atmospheric Pressure Ammonia Synthesis via CO 2 -Coupled Hydrogenation

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作者
Kai Feng,Shuairen Qian,Xiaozhi Liu,Yi Shen,Zhengwen Li,Yuxin Chen,Jiaming Tian,Le He,Xiaohong Zhang,Yi Cheng,Dong Su,Binhang Yan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c11181
摘要

The Haber–Bosch ammonia synthesis is a cornerstone of global agriculture and the chemical industry, yet it is fundamentally constrained by intrinsic scaling relations, necessitating energy-intensive conditions associated with a significant carbon footprint. Herein, we report a surface redox-mediated chemical looping strategy that utilizes the CO 2 hydrogenation reaction as a chemical trigger to drive ammonia synthesis at atmospheric pressure over a cobalt–molybdenum bimetallic nitride (Co 3 Mo 3 N) nitrogen carrier. Mechanistic investigations reveal that CO 2 induces a dynamic surface oxidation that weakens the intrinsic Mo–N bonds and facilitates the hydrogenation and release of lattice nitrogen as NH 3 . The cycle is closed by a subsequent nitridation step that removes surface oxygen and regenerates the nitride lattice. This redox-mediated mechanism enables an unprecedented NH 3 peak concentration of ∼2.3% and a release rate of 12.4 mmol·g cat –1 ·h –1 at 500 °C under atmospheric pressure, circumventing the thermodynamic limitations that historically hinder low-pressure ammonia synthesis. Our findings demonstrate how dynamic surface engineering can decouple kinetic limitations from thermodynamic constraints, offering a novel paradigm for sustainable nitrogen fixation coupled with carbon utilization.
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