LiH/FePcG-Catalyzed Ammonia Synthesis via Interfacial Hydride-Mediated Dinitrogen Activation

化学 催化作用 氨生产 氢化物 氨 光化学 动力学同位素效应 反应机理 密度泛函理论 无机化学 反应中间体 氢 红外光谱学 氨硼烷 多相催化 傅里叶变换红外光谱 同位素标记 同位素 漫反射红外傅里叶变换 光谱学 活动站点 氢键 组合化学 反应速率 原位 偶联反应 动能 计算化学 还原消去 催化循环
作者
Yefei Wang,Ziheng Zhang,Xibo Zhang,Xiaowen Sun,Shasha Ge,Hua Xie,Ling Jiang,Fei Chang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acscatal.6c07016
摘要

Abstract Ammonia synthesis under mild conditions remains challenging because of the inertness of the N≡N bond and the limited ability of conventional catalysts to couple efficient dinitrogen activation with rapid hydrogenation. Here, we report a LiH/FePcG catalyst in which strong interfacial coupling between LiH and Fe–N–C sites enable efficient ammonia synthesis. Comprehensive characterization, including structural analysis, kinetic study, isotopic-labelling, gas-phase mass spectrometry, and in situ diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) reveal that the catalytic activity originates from interfacial active sites. Under reaction conditions, structural nitrogen atoms within the Fe–Nx moieties undergo reversible consumption and reconstruction, demonstrating the dynamic participation of the Fe–N–C framework in ammonia synthesis. Concurrently, hydridic hydrogen supplied by LiH directly participates in the initial hydrogenation steps, while the LiH/Fe–N–C interface generates Fe-centered multicomponent hydride species essential for N2 binding and activation. An inverse H/D kinetic isotope effect, an H2-promoted 28N2/30N2 exchange rate, in situ spectroscopic evidence, and density functional theory (DFT) calculations collectively support a non-classical, hydrogen-assisted pathway for dinitrogen activation rather than the conventional direct N≡ bond cleavage. These findings establish interfacial hydride chemistry as a cooperative mechanism for efficient ammonia synthesis and provide a strategy for designing advanced catalysts under mild conditions.

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