Synergistic Photothermal Acceleration of Ammonia Synthesis Using Defective TiO2 Supported Ru Catalysts

催化作用 氨生产 光热治疗 加速度 化学 化学工程 材料科学 无机化学 纳米技术 物理 有机化学 经典力学 工程类
作者
Tongtong Zhang,Xibo Zhang,Fei Chang
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:64 (30): 14879-14887 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.5c02153
摘要

The industrial production of ammonia predominantly relies on the well-established Haber-Bosch process, which operates under harsh conditions (350–500 °C and 15–35 MPa). This process consumes nearly 2% of the world’s energy production and is associated with significant carbon emissions. Consequently, there is an urgent need to develop efficient catalytic processes for ammonia synthesis that can operate at milder temperatures and pressures. In this work, we introduce a synergistic photothermal ammonia synthesis process using ruthenium (Ru) catalysts supported on defective titania (TiO 2- x ). A solid-state mechanical reduction method was employed to create oxygen vacancies in TiO 2, resulting in the formation of TiO 2- x . The Ru nanoparticles on TiO 2- x with moderate oxygen vacancies exhibited high dispersion, with an average particle size of 2–3 nm. Owing to the plasmonic hybridization effect between TiO 2- x and Ru nanoparticles, the Ru/TiO 2– x system demonstrated full-spectrum solar-light absorption and enabled photothermal ammonia synthesis at low temperature (250 °C). This system achieved nearly a 300% enhancement in activity compared to that of traditional thermal catalytic processes. Kinetic studies revealed a decrease in apparent activation energy and reaction orders of N 2 and NH 3 upon solar illumination of Ru/TiO 2– x, indicating its remarkable photothermal promotion of nitrogen activation and ammonia desorption. Our findings underscore the significance of the photothermal effect in activating inert nitrogen molecules and achieving ammonia synthesis under mild conditions, providing valuable insights into the design of future catalysts.
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