Breaking scaling relations to achieve low-temperature ammonia synthesis through LiH-mediated nitrogen transfer and hydrogenation

化学 催化作用 缩放比例 过渡状态 氨生产 化学物理 氮化物 光化学 氮气 计算化学 无机化学 有机化学 图层(电子) 几何学 数学
作者
Peikun Wang,Fei Chang,Wenbo Gao,Jianping Guo,Guotao Wu,Teng He,Ping Chen
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:9 (1): 64-70 被引量:666
标识
DOI:10.1038/nchem.2595
摘要

Ammonia synthesis under mild conditions is a goal that has been long sought after. Previous investigations have shown that adsorption and transition-state energies of intermediates in this process on transition metals (TMs) scale with each other. This prevents the independent optimization of these energies that would result in the ideal catalyst: one that activates reactants well, but binds intermediates relatively weakly. Here we demonstrate that these scaling relations can be broken by intervening in the TM-mediated catalysis with a second catalytic site, LiH. The negatively charged hydrogen atoms of LiH act as strong reducing agents, which remove activated nitrogen atoms from the TM or its nitride (TMN), and as an immediate source of hydrogen, which binds nitrogen atoms to form LiNH2. LiNH2 further splits H2 heterolytically to give off NH3 and regenerate LiH. This synergy between TM (or TMN) and LiH creates a favourable pathway that allows both early and late 3d TM–LiH composites to exhibit unprecedented lower-temperature catalytic activities. The existence of linear scaling relations between the adsorption energies of reaction intermediates on transition-metal surfaces prevents their independent optimization and limits catalytic activity. It has now been shown that using a catalytic LiH site alongside a transition-metal catalyst can break these intrinsic scaling relations, leading to unprecedented lower-temperature ammonia-synthesis activity.
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