Mechanocatalytic Ammonia Synthesis over TiN in Transient Microenvironments

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作者
Andrew W. Tricker,Karoline L. Hebisch,Marco Buchmann,Yu‐Hsuan Liu,Marcus Rose,Eli Stavitski,Andrew J. Medford,Marta C. Hatzell,Carsten Sievers
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:5 (11): 3362-3367 被引量:67
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.0c01895
摘要

Environmentally friendly and energy-efficient ways to produce ammonia are essential to meet global food demands. In this study, a new approach for ammonia production at nominally ambient conditions is introduced. As proof of concept, ammonia is synthesized mechanocatalytically by ball milling titanium in a continuous gas flow. The ammonia synthesis reaction is proposed to follow a transient Mars–van Krevelen mechanism under mechanically activated conditions, where molecular nitrogen incorporation into the titanium lattice and titanium nitride hydrogenation occur in thermodynamically distinct environments. X-ray powder diffraction and X-ray absorption spectroscopy confirm the formation of titanium nitride from titanium and N2. The reactivity of nitrided titanium supports that lattice nitrogen plays a role in ammonia formation. The in situ formed titanium nitride is catalytically active, and the nitride regeneration reaction is determined to be the rate-limiting step. A preliminary technoeconomic analysis shows that this approach could be feasible for distributed ammonia production.
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