La conversione elettrochimica dell'azoto in ammoniaca è l'alternativa più promettente del tradizionale processo Haber-Bosch per ottenere la fissazione dell'azoto in condizioni ambientali. In questa strategia, l'attivazione di tripli legami ad alta energia dell'azoto è il collo di bottiglia più significativo, ed è comunemente considerata la fase determinante per la sintesi dell'ammoniaca. Scienziati con sede in Cina hanno alterato con successo la fase determinante della riduzione dell'azoto elettrochimico, e linee guida delineate per la progettazione futura di catalizzatori.

L'ammoniaca è un precursore generico per la produzione di fertilizzanti e la maggior parte dei prodotti chimici organici contenenti azoto. Ad oggi, la produzione industriale di ammoniaca è prevalentemente condotta dal processo Haber-Bosch, in cui l'azoto viene fissato utilizzando l'idrogeno riducente chimico. Però, nonostante più di 100 anni di sviluppo, questo processo richiede ancora condizioni difficili, comprese alte temperature (673-873 K) e pressioni (20-40 MPa), rappresentano l'1,5% del consumo energetico mondiale. In tale contesto, è essenziale una tecnologia sostenibile e meno energivora per produrre ammoniaca.

Un metodo alternativo per ottenere la fissazione dell'N2 in condizioni ambientali è la reazione di riduzione dell'N2 elettrocatalitica (NRR) che utilizza protoni dall'acqua come fonte di idrogeno e alimentata da fonti di elettricità rinnovabili. Però, in pratica, è ancora difficile ottenere prestazioni NRR desiderabili, che provoca una grande perdita di energia. La sfida chiave risiede nell'attivazione del triplo legame inerte azoto-azoto, che è generalmente considerato come il passaggio che determina il tasso. In tale contesto, catalizzatori altamente attivi che potrebbero alterare la fase determinante della velocità della sintesi elettrochimica dell'ammoniaca rappresentano un candidato ideale per la sintesi dell'ammoniaca.

In un nuovo articolo di ricerca pubblicato nella rivista con sede a Pechino Rassegna scientifica nazionale , scienziati della Soochow University di Suzhou, Cina, presentare gli ultimi progressi per superare il collo di bottiglia della sintesi dell'ammoniaca ambientale. Co-autori Sisi Liu, Mengfan Wang, Haoqing Ji, Xiaowei Shen, Chenglin Yan e Tao Qian hanno alterato con successo la fase determinante della sintesi dell'ammoniaca ambientale mediante l'introduzione deliberata di singoli cluster di cobalto come promotore donatore di elettroni nel carbonio drogato con azoto, e ha raggiunto un eccezionale tasso di resa di ammoniaca di 76,2 μg h-1 mg-1, con un'efficienza faradaica superiore del 52,9%. Con questa strategia, la prestazione superiore ridurrebbe notevolmente la perdita di energia del sistema e ridurrebbe il costo fondamentale, contribuendo così a future applicazioni pratiche.

Questi scienziati delineano anche le potenziali direzioni di sviluppo dei futuri elettrocatalizzatori per sistemi NRR sostenibili. "Quando adsorbito chimicamente sul cluster Co, N2 viene attivato spontaneamente e subisce un significativo indebolimento del triplo legame azoto-azoto a causa della forte retrodonazione di elettroni dal metallo agli orbitali antilegame N2, e la dissociazione di N2 diventa un processo esotermico sul singolo cluster di cobalto, " dice il prof. Tao Qian. "Così, la fase determinante la velocità è stata spostata con successo dalla consueta attivazione di N2 alla successiva idrogenazione con solo una piccola barriera energetica di 0,85 eV."