El papel de la estructura electrónica en la reducción de nitratos a amonio: un viaje periódico

Área de la Ciencia:

• La electroquímica
• Catálisis
• Química ecológica

Sus antecedentes:

• La electrocatálisis ofrece una ruta sostenible para la síntesis de amoníaco, utilizando hidrógeno derivado del agua en lugar de metano.
• La optimización de los catalizadores para la reacción de reducción de nitratos (NO3RR) requiere equilibrar la actividad de la reacción de evolución del hidrógeno (HER) y la selectividad de la NO3RR.
• Para cerrar el ciclo del nitrógeno es crucial lograr una alta eficiencia Faradaic (FE) para el amoníaco.

Objetivo del estudio:

• Investigar los catalizadores de metales de transición para la conversión electrocatalítica de nitrato en amoníaco.
• Comprender la interacción cinética entre HER y NO3RR en varios metales de transición.
• Elucidar los factores que rigen la selectividad del amonio en medios neutros.

Principales métodos:

• El análisis de los catalizadores de metales de transición (Ti, Fe, Co, Ni, Ni0,68Cu0,32, Cu, Ag) para el NO3RR.
• Las mediciones electroquímicas para determinar la eficiencia Faradaic del amonio (FE).
• Desarrollo de un modelo microkinético para analizar la cinética de la reacción y la adsorción competitiva.
• Cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para sondear los mecanismos catalíticos.

Principales resultados:

• Las FEs de amonio variaron significativamente, desde el 3,6% (Ag) hasta el 93,7% (Co).
• El modelado microkinético reveló la adsorción competitiva entre los átomos de nitrato y hidrógeno (H *) como clave para las tasas dependientes de voltaje.
• Alta actividad de HER correlacionada con disminución de NO3RR FE debido a la competencia de electrones.
• El cobalto exhibió una selectividad excepcionalmente alta para el amonio, atribuida a la fuerte unión al nitrito y la promoción de la disociación del óxido nítrico.

Conclusiones:

• El diseño del catalizador para una reducción eficiente de nitratos electrocatalíticos requiere un ajuste cuidadoso de las propiedades electrónicas y las interacciones superficiales.
• Los catalizadores basados en cobalto tienen un rendimiento superior para la producción selectiva de amoníaco.
• La comprensión de los mecanismos de adsorción competitivos es vital para el avance de la síntesis de amoníaco renovable.