Enabling electrochemical reduction of nitrogen to ammonia at ambient conditions through rational catalyst design

催化作用 电化学 合理设计 氨生产 还原(数学) 氮气 选择性催化还原 化学 无机化学 组合化学 纳米技术 材料科学 化学工程 有机化学 电极 工程类 物理化学 数学 几何学
作者
Younes Abghoui,Anna L. Garden,Valtýr Freyr Hlynsson,Snædís Björgvinsdóttir,Hrefna Ólafsdóttir,Egill Skúlason
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:17 (7): 4909-4918 被引量:311
标识
DOI:10.1039/c4cp04838e
摘要

Commercial design of a sustainable route for on-site production of ammonia represents a potential economic and environmental breakthrough. In an analogous process to the naturally occurring enzymatic mechanism, synthesis of ammonia could be achieved in an electrochemical cell, in which electricity would be used to reduce atmospheric nitrogen and water into ammonia at ambient conditions. To date, such a process has not been realized due to slow kinetics and low faradaic efficiencies. Although progress has been made in this regard, at present there exists no device that can produce ammonia efficiently from air and water at room temperature and ambient pressure. In this work, a scheme is presented in which electronic structure calculations are used to screen for catalysts that are stable, active and selective towards N2 electro-reduction to ammonia, while at the same time suppressing the competing H2 evolution reaction. The scheme is applied to transition metal nitride catalysts. The most promising candidates are the (100) facets of the rocksalt structures of VN and ZrN, which show promise of producing ammonia in high yield at low onset potentials.
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