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What Metals Should Be Used to Mediate Electrosynthesis of Ammonia from Nitrogen and Hydrogen from a Thermodynamic Standpoint?

电合成 化学 电化学 氮气 无机化学 物理化学 电极 有机化学
作者
Dongling Jin,Anqi Chen,Bo‐Lin Lin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (18): 12320-12323 被引量:13
标识
DOI:10.1021/jacs.4c02754
摘要

Recently, metal-mediated electrochemical conversion of nitrogen and hydrogen to ammonia (M-eNRRs) has been attracting intense research attention as a potential route for ammonia synthesis under ambient conditions. However, which metals should be used to mediate M-eNRRs remains unanswered. This work provides an extensive comparison of the energy consumption in the classical Haber Bosch (H-B) process and the M-eNRRs. The results indicate that when employing lithium and calcium, metals popularly used to mediate the M-eNRRs, the energy consumption is more than 10 times greater than that of the H-B process even assuming a 100% Faradaic efficiency and zero overpotentials. Only electrosynthesis with a cell voltage not exceeding 0.38 V might have the potential to rival the H-B process from an energetic perspective. A further analysis of other metals in the periodic table reveals that only some heavy metals, including In, Tl, Co, Ni, Ga, Mo, Sn, Pb, Fe, W, Ge, Re, Bi, Cu, Po, Tc, Ru, Rh, Ag, Hg, Pd, Ir, Pt, and Au, can potentially consume less energy than that of the H-B process purely from a thermodynamic standpoint, but whether they can activate N2 under ambient conditions is yet to be explored. This work shows the importance of performing thermodynamic analysis for the development of an innovative strategy to synthesize ammonia with the ultimate goal of replacing the H-B process on a large scale.
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