Plasma-Induced Catalytic Conversion of Nitrogen and Hydrogen to Ammonia over Zeolitic Imidazolate Frameworks ZIF-8 and ZIF-67

材料科学 催化作用 沸石咪唑盐骨架 氨 微型多孔材料 氨生产 化学工程 介质阻挡放电 氩 等离子体 氢 金属有机骨架 有机化学 电介质 化学 吸附 光电子学 物理 量子力学 工程类 复合材料
作者
Fnu Gorky,Jolie M. Lucero,James M. Crawford,Beth Blake,Moisés A. Carreón,Maria L. Carreon
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (18): 21338-21348 被引量:99
标识
DOI:10.1021/acsami.1c03115
摘要

Microporous crystals have emerged as highly appealing catalytic materials for the plasma catalytic synthesis of ammonia. Herein, we demonstrate that zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs) can be employed as efficient catalysts for the cold plasma ammonia synthesis using an atmospheric dielectric barrier discharge reactor. We studied two prototypical ZIFs denoted as ZIF-8 and ZIF-67, with a uniform window pore aperture of 3.4 Å. The resultant ZIFs displayed ammonia synthesis rates as high as 42.16 μmol NH 3 /min gcat. ZIF-8 displayed remarkable stability upon recycling. The dipole–dipole interactions between the polar ammonia molecules and the polar walls of the studied ZIFs led to relatively low ammonia uptakes, low storage capacity, and high observed ammonia synthesis rates. Both ZIFs outperform other microporous crystals including zeolites and conventional oxides in terms of ammonia production. Furthermore, we demonstrate that the addition of argon to the reactor chamber can be an effective strategy to improve the plasma environment. Specifically, the presence of argon helped to improve the plasma uniformity, making the reaction system more energy efficient by operating at a low specific energy input range allowing abundant formation of nitrogen vibrational species.
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