Исследователи из Университета Тохоку раскрыли ключевые принципы, которые могут способствовать устойчивому производству аммиака путём электрохимического преобразования нитратных отходов.
Их выводы проясняют, как координационная структура металл-азот-углеродных (M-N-C) катализаторов влияет на их производительность в реакции восстановления нитратов (NO₃RR). Этот процесс потенциально может очищать сельскохозяйственные стоки, одновременно производя аммиак для удобрений.
Производство аммиака в настоящее время во многом зависит от энергоёмких промышленных процессов. В отличие от этого, электрохимический подход предлагает способ получения аммиака в обычных условиях с использованием возобновляемой электроэнергии.
«Мы систематически сравнили пиррольные и пиридиновые M-N-C катализаторы и обнаружили, что пиррольные структуры обычно достигают более высокой частоты оборота при производстве аммиака», — объяснил Хао Ли, возглавлявший исследование.
«Наш анализ также показал, что адсорбция и протонирование нитрата — часто упускаемые из виду в предыдущих моделях — на самом деле являются стадиями, определяющими скорость этой реакции», — добавил он.
Команда объединила систематический анализ данных более чем 60 катализаторов с микрокинетическим моделированием в сочетании с pH-полем в масштабе обратимого водородного электрода. Их последующие эксперименты в нейтральных и щелочных условиях подтвердили теоретические предсказания.
«Результаты ставят под сомнение классическую термодинамическую «модель предельного потенциала», используемую во многих предыдущих исследованиях, показывая, что она неточно отражает тенденции каталитической производительности для различных M-N-C материалов», — сказал Ли. «Это открывает новые стратегии проектирования более эффективных катализаторов».
В будущем группа планирует разработать потенциалы машинного обучения, способные моделировать взаимодействие электрического поля со слабо адсорбированными частицами, такими как NO₃H и NO₂H. Это поддержит автоматизированный отбор разнообразных конфигураций M-N-C для выявления перспективных кандидатов для преобразования нитратов в аммиак.
Все данные из этого исследования доступны через [Digital Catalysis Platform](https://www.digcat.org/), крупнейшую базу данных экспериментального катализа, разработанную лабораторией Хао Ли.
«Эта работа является частью нашей более широкой цели — создать лучшие инструменты для проектирования катализаторов», — отметил Ли. «В конечном счёте мы надеемся внести свой вклад в создание более чистых и устойчивых технологий производства аммиака, которые принесут пользу как промышленности, так и окружающей среде».
Предоставлено [Tohoku University](https://phys.org/partners/tohoku-university/)