Ammoniaca (NH3 ) è considerato un promettente vettore energetico privo di emissioni di carbonio, ma il suo processo di produzione ad alta intensità energetica rappresenta ancora una sfida per gli scienziati di tutto il mondo. Un gruppo di ricerca guidato dalla City University di Hong Kong (CityU) ha recentemente progettato una lega bimetallica come nanocatalizzatore ultrasottile in grado di fornire prestazioni elettrochimiche notevolmente migliorate per la generazione di ammoniaca dal nitrato (NO3 - ), offrendo un grande potenziale per ottenere in futuro carburante a zero emissioni di carbonio.
I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ) sotto il titolo "Ingegneria ambientale di coordinazione atomica di nanostrutture di leghe bimetalliche per un'efficiente elettrosintesi dell'ammoniaca dal nitrato."
L'ammoniaca, comunemente utilizzata nei fertilizzanti, ha recentemente attirato molta attenzione perché può fornire una fonte di idrogeno per le celle a combustibile ed è più facile da liquefare e trasportare rispetto all'idrogeno. A causa della sua enorme domanda, il riciclo del nitrato (NO3 - ) dalle acque reflue inquinate da fertilizzanti di ammonio è emersa come un'alternativa per riprodurre la preziosa ammoniaca e rendere l'agricoltura più sostenibile.
Attualmente, la reazione elettrochimica di riduzione dei nitrati (NO3 RR) è considerata una soluzione promettente per la sintesi dell'ammoniaca. Comprende principalmente le fasi di deossigenazione e idrogenazione (ovvero NO3 - +9H + + 8e - ➙ NH3 + 3H2 O) con elettrocatalizzatori a base metallica.
"Tuttavia, i sottoprodotti indesiderati e la reazione competitiva di evoluzione dell'idrogeno (HER) durante NO3RR apparentemente ostacolano il tasso di rendimento della produzione di ammoniaca", ha affermato il professor Fan Zhanxi, del Dipartimento di Chimica della CityU, che ha guidato lo studio.>
Invece di modulare le dimensioni o le dimensioni degli elettrocatalizzatori, come avevano fatto altre ricerche precedenti, il team del professor Fan si è concentrato sul miglioramento dei siti attivi, dove le molecole del substrato si legano e la catalisi avviene sulla superficie degli elettrocatalizzatori.
"Il rutenio (Ru) è un materiale emergente come elettrocatalizzatore per NO3 RR, ma ha anche il problema di favorire HER, il che fa sì che i suoi siti attivi siano altamente occupati da idrogeno attivo indesiderato, lasciando un'area insufficiente per la riduzione dei nitrati in ammoniaca," ha spiegato il professor Fan.
Per superare le sfide, il team ha introdotto un altro metallo, il ferro (Fe), per modulare l’ambiente di coordinazione atomica dei siti attivi. Modificando l'ambiente di coordinamento dei siti Ru, le strutture elettroniche e le proprietà superficiali del Ru e quindi la loro attività catalitica per la produzione di ammoniaca vengono ottimizzate. Per migliorare ulteriormente le prestazioni dell'elettrocatalizzatore, il team ha sviluppato un approccio di sintesi one-pot per realizzare nanofogli ultrasottili assemblati come una struttura simile a un fiore, chiamati nanofiori RuFe.
Questo nuovo elettrocatalizzatore realizzato in lega bimetallica possiede una struttura elettronica altamente stabile grazie agli orbitali complementari che raggiungono un efficiente trasferimento di elettroni e robusti stati di valenza, che sopprimono anche l'HER competitivo e abbassano le barriere energetiche per NO3 RR. Inoltre, i siti superficiali elettrochimicamente attivi dei nanofiori RuFe misuravano 267,5 cm 2 , molto più grande del 105 cm 2 per Ru-nanosheets affinché avvengano le reazioni.
Sorprendentemente, i nanofiori RuFe hanno dimostrato prestazioni elettrochimiche molto migliori, con un'eccezionale efficienza di trasferimento di carica, nota come efficienza faradaica (FE), del 92,9% e un tasso di rendimento di 38,68 mg h −1 mgcat −1 a -0,30 e -0,65 V per la produzione di ammoniaca, che è quasi 6,9 volte quella dei soli Ru-nanosheet.
"Questa ricerca indica un grande potenziale per i nanofiori RuFe nei sistemi energetici elettrochimici di prossima generazione", ha affermato il professor Fan. "Crediamo che questo lavoro possa stimolare studi di follow-up sulla modulazione dell'ambiente di coordinazione atomica dei siti attivi nei catalizzatori a base metallica per la produzione di ammoniaca, promuovendo ulteriormente un ciclo sostenibile dell'azoto per ottenere in futuro energia priva di carbonio."
Ulteriori informazioni: Yunhao Wang et al, Ingegneria dell'ambiente di coordinazione atomica di nanostrutture di leghe bimetalliche per un'efficiente elettrosintesi dell'ammoniaca dal nitrato, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2023). DOI:10.1073/pnas.2306461120
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dalla City University of Hong Kong
