Sử dụng thiết kế địa điểm hoạt động có cấu trúc hình bát để phá vỡ mối quan hệ mở rộng quy mô cho quá trình chuyển đổi nitơ thành amoniac
của Viện Khoa học Trung Quốc
Một vị trí hoạt động bát trên electrua liên kim loại Lantan, bao gồm bốn cation la bề mặt và một nguyên tử si ở bề mặt, đóng vai trò quan trọng trong việc xúc tác hiệu quả sự chuyển đổi N2-thành-NH3 bằng cách phá vỡ quan hệ tỷ lệ thông qua các tương tác tĩnh điện cụ thể. Do đó, vị trí hoạt động bát này đưa ra một khái niệm thiết kế về chất xúc tác dị thể hiệu quả cao để chuyển đổi N2 – thành – NH3. Ảnh: Tạp chí xúc tác Trung Quốc
Quá trình chuyển đổi N2 thành NH3 là một quá trình hóa học cơ bản để cung cấp nitơ cho ngành công nghiệp và nông nghiệp hiện đại. Đã có rất nhiều nỗ lực được thực hiện kể từ khi phát minh ra quy trình Haber-Bosch, nhưng việc chuyển đổi N2 thành NH3 ở điều kiện ôn hòa vẫn là một nhiệm vụ đầy thách thức.
Một vấn đề chung nảy sinh từ các quan hệ tỷ lệ, tạo ra sự mâu thuẫn rõ ràng giữa khả năng của chất xúc tác để kích hoạt N2 và giải phóng NH3. Điều này dẫn đến một đường cong núi lửa của hoạt động xúc tác cho quá trình chuyển đổi N2-thành NH3, và do đó đặt ra giới hạn về hiệu suất xúc tác bởi thiết kế chất xúc tác tối ưu.
Đây là nguyên tắc Sabatier cho việc thiết kế chất xúc tác, trong đó nói rằng sự hấp phụ của chất trung gian có liên quan trên chất xúc tác tối ưu không được quá mạnh hoặc quá yếu. Nói cách khác, chất xúc tác tối ưu phải là một sự thỏa hiệp. Do đó, việc xác định và làm sáng tỏ các quá trình xúc tác không bị quy định bởi các quan hệ tỷ lệ là điều hấp dẫn, để thiết kế các chất xúc tác dị thể có hiệu quả cao ngoài sự thỏa hiệp.
Gần đây, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Hai Xiao tại Đại học Thanh Hoa, Trung Quốc dẫn đầu đã nghiên cứu các cơ chế xúc tác nhiệt đối với quá trình chuyển đổi N2 thành NH3 trên điện tử liên kim loại LaRuSi bằng các tính toán nguyên tắc đầu tiên. Họ phát hiện ra rằng vị trí hoạt động bát, bao gồm các cation La bề mặt và nguyên tử Si dưới bề mặt mang điện tích âm có nguồn gốc từ bản chất electrua, là chìa khóa để xúc tác hiệu quả quá trình chuyển đổi N2 thành NH3.
Tương tác tĩnh điện và quỹ đạo giữa vị trí hoạt động bát này và chất trung gian phản ứng làm tăng đáng kể sự hoạt hóa N2 dẫn đến N2 tích điện âm để phân cắt dễ dàng liên kết NN, đồng thời làm mất ổn định các thành phần hấp phụ của các loại NHx (x = 1, 2, 3) có chứa dương nguyên tử H tích điện, tạo điều kiện cho quá trình giải hấp sản phẩm cuối cùng là NH3. Chính vị trí hoạt động bát đặc biệt này bao gồm các cation La khối f và anion Si electrua đã phá vỡ các mối quan hệ chia tỷ lệ để chuyển đổi N2-thành NH3 hiệu quả cao.
Bằng cách so sánh với các chất xúc tác điện tử liên kim loại khác có cấu trúc đẳng lập với LaRuSi, chúng xác nhận rõ ràng sự phá vỡ quan hệ tỷ lệ giữa các chất hấp phụ của các loài NHx và của N. Các tương tác tĩnh điện thích ứng được thực hiện bởi vị trí hoạt động bát đóng vai trò quan trọng trong việc phá vỡ các quan hệ tỷ lệ đối với Chuyển hóa N2-thành NH3.
Họ cũng xác định sự hiện diện có thể có của các vị trí hoạt động bát tương tự trong các loại xúc tác dị thể hiệu quả cao khác. Do đó, họ đề xuất vị trí hoạt động bát này với các tương tác tĩnh điện thích ứng như một khái niệm thiết kế, làm sáng tỏ những hiểu biết mới về việc thiết kế các chất xúc tác dị thể hiệu quả cao cho quá trình chuyển đổi N2 – thành – NH3, cũng như các phản ứng xúc tác khác được quy định bởi quy mô các mối quan hệ.
Các kết quả đã được công bố trên Tạp chí Xúc tác Trung Quốc.
