First-Principles Insights into the Thermodynamics of Variable-Temperature Ammonia Synthesis on Transition-Metal-Doped Cu (100) and (111)

热力学 氨 钒 钼 兴奋剂 氨生产 过渡金属 材料科学 金属 铜 物理化学 化学 无机化学 物理 催化作用 有机化学 光电子学
作者
Ziyang Wei,John Mark P. Martirez,Emily A. Carter
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:9 (6): 3012-3018
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.4c01100
摘要

Ammonia (NH3) is one of the most produced chemicals worldwide. NH3 synthesis predominantly utilizes the Haber–Bosch (HB) process, requiring high temperatures and pressures. Despite significant process advances, ample opportunity remains for improving the rate, selectivity, catalyst stability, and energy efficiency. Inspired by a recently developed programmable heating and quenching (PHQ) technique, here we present a first-principles screening of candidate single-atom alloy catalysts generated from doping (111) and (100) surfaces of copper (Cu), an ineffective HB catalyst in its pure form. We predict the thermodynamics of two rate-limiting reactions, N2 dissociative adsorption and the final hydrogenation step leading up to NH3 release, at 400 and 900 K. Thermodynamically, the former reaction is favored at low temperatures, while the latter is favored at high temperatures. Vanadium-, chromium-, and molybdenum-doped Cu surfaces, due to intermediate M–N covalent bonding character, emerge as appealing candidate catalysts for PHQ NH3 synthesis, as they balance the thermodynamics of the above-mentioned reaction steps at their respective optimal temperatures.
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