Searching for the Rules of Electrochemical Nitrogen Fixation

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作者
Romain Tort,Alexander Bagger,Olivia Westhead,Yasuyuki Kondo,Artem Khobnya,Anna Winiwarter,Bethan J. V. Davies,Aron Walsh,Yu Katayama,Yuki Yamada,Mary P. Ryan,Maria‐Magdalena Titirici,Ifan E. L. Stephens
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (22): 14513-14522 被引量:37
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c03951
摘要

Li-mediated ammonia synthesis is, thus far, the only electrochemical method for heterogeneous decentralized ammonia production. The unique selectivity of the solid electrode provides an alternative to one of the largest heterogeneous thermal catalytic processes. However, it is burdened with intrinsic energy losses, operating at a Li plating potential. In this work, we survey the periodic table to understand the fundamental features that make Li stand out. Through density functional theory calculations and experimentation on chemistries analogous to lithium (e.g., Na, Mg, Ca), we find that lithium is unique in several ways. It combines a stable nitride that readily decomposes to ammonia with an ideal solid electrolyte interphase, balancing reagents at the reactive interface. We propose descriptors based on simulated formation and binding energies of key intermediates and further on hard and soft acids and bases (HSAB principle) to generalize such features. The survey will help the community toward electrochemical systems beyond Li for nitrogen fixation.
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