A conversão eletroquímica de nitrogênio em amônia é a alternativa mais promissora do processo Haber-Bosch tradicional para obter a fixação de nitrogênio em condições ambientais. Nesta estratégia, ativação de ligações triplas de nitrogênio de alta energia é o gargalo mais significativo, e é comumente considerado como a etapa determinante da taxa de síntese de amônia. Cientistas baseados na China alteraram com sucesso a etapa de determinação da taxa de redução eletroquímica de nitrogênio, e orientações delineadas para o projeto futuro de catalisadores.

A amônia é um precursor genérico para a fabricação de fertilizantes e da maioria dos produtos químicos orgânicos que contêm nitrogênio. A data, a produção industrial de amônia é predominantemente conduzida pelo processo Haber-Bosch, em que o nitrogênio é fixado usando o hidrogênio redutor químico. Contudo, apesar de mais de 100 anos de desenvolvimento, este processo ainda requer condições adversas, incluindo altas temperaturas (673-873 K) e pressões (20-40 MPa), responsável por 1,5% do consumo mundial de energia. Nesse contexto, É uma tecnologia sustentável e menos intensiva em energia para produzir amônia.

Um método alternativo para obter a fixação de N2 em condições ambientais é a reação de redução eletrocatalítica de N2 (NRR) usando prótons da água como fonte de hidrogênio e alimentada por fontes de eletricidade renováveis. Contudo, na prática, ainda é difícil alcançar o desempenho NRR desejável, o que causa grande perda de energia. O principal desafio está na ativação da ligação tripla inerte nitrogênio-nitrogênio, que geralmente é considerado como a etapa determinante da taxa. Nesse contexto, catalisadores altamente ativos que podem alterar a etapa determinante da taxa de síntese eletroquímica de amônia representam um candidato ideal para a síntese de amônia.

Em um novo artigo de pesquisa publicado no National Science Review , cientistas da Universidade Soochow em Suzhou, China, apresentar os últimos avanços na superação do gargalo da síntese de amônia ambiente. Co-autores Sisi Liu, Mengfan Wang, Haoqing Ji, Xiaowei Shen, Chenglin Yan e Tao Qian alteraram com sucesso a etapa de determinação da taxa de síntese de amônia ambiente pela introdução deliberada de aglomerados únicos de cobalto como o promotor doador de elétrons em carbono dopado com nitrogênio, e alcançou uma excelente taxa de rendimento de amônia de 76,2 μg h-1 mg-1, com eficiência Faradaic superior de 52,9%. Com esta estratégia, o desempenho superior reduziria muito a perda de energia do sistema e reduziria o custo fundamental, contribuindo assim para futuras aplicações práticas.

Esses cientistas também delineiam as direções de desenvolvimento potencial de futuros eletrocatalisadores para sistemas NRR sustentáveis. "Quando adsorvido quimicamente no cluster Co, O N2 é ativado espontaneamente e experimenta um enfraquecimento significativo da ligação tripla nitrogênio-nitrogênio devido à forte doação de elétrons do metal para os orbitais anti-aderentes N2, e a dissociação do N2 torna-se um processo exotérmico sobre o aglomerado único de cobalto, "diz o Prof. Tao Qian." Assim, a etapa de determinação da taxa foi deslocada com sucesso da ativação usual de N2 para a hidrogenação subsequente com apenas uma pequena barreira de energia de 0,85 eV. "