Synergizing Surface Hydride Species and Ru Clusters on Sm2O3 for Efficient Ammonia Synthesis

氢化物 催化作用 氨生产 无机化学 氧化物 离解(化学) 化学 金属 物理化学 有机化学
作者
Xilun Zhang,Lin Liu,Anan Wu,Junfa Zhu,Rui Si,Jianping Guo,Ruting Chen,Qike Jiang,Xiaohua Ju,Ji Feng,Zhitao Xiong,Teng He,Ping Chen
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (4): 2178-2190 被引量:70
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c05985
摘要

Metal-oxide-supported Ru catalysts, typically in the form of Ru particles dispersed on oxides, have emerged as the most promising catalysts for the ammonia synthesis reaction. Generally, Ru particles are regarded as catalytically active components and are mainly responsible for the formation of ammonia during ammonia synthesis. Here we show that subnano Ru clusters on Sm 2 O 3 (Ru/Sm 2 O 3 ) favor the formation of surface hydride (Sm–H) species under reaction conditions, which can trigger the activation of Ru clusters in the ammonia synthesis reaction. The synergy of surface hydride species and Ru clusters boosts the activity relative to Ru clusters alone and affords ammonia yields as high as 90.1–100% of the thermodynamic equilibrium value at 400 °C. Mechanistic studies and theoretical calculations reveal that Sm–H species can not only work in synergy with Ru clusters to reduce the energy barrier for nitrogen dissociation, but also directly participate in the formation of ammonia on the Ru clusters. The discovery of the synergy role of surface hydride species can deepen the molecular-level understanding of the ammonia synthesis reaction process, which will eventually help to rationally design efficient oxide-supported metal catalysts in the heterogeneous catalysis process where hydrogen is involved.
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