RU2803599C2 - Electrolytic ammonia production using catalysts based on transition metal oxides - Google Patents

Electrolytic ammonia production using catalysts based on transition metal oxides Download PDF

Info

Publication number
RU2803599C2
RU2803599C2 RU2020111951A RU2020111951A RU2803599C2 RU 2803599 C2 RU2803599 C2 RU 2803599C2 RU 2020111951 A RU2020111951 A RU 2020111951A RU 2020111951 A RU2020111951 A RU 2020111951A RU 2803599 C2 RU2803599 C2 RU 2803599C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ammonia
oxide
electrolytic cell
minus
less
Prior art date
Application number
RU2020111951A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2020111951A3 (en
RU2020111951A (en
Inventor
Эйидль СКУЛАСОН
Original Assignee
Хаускоули Исландс
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Хаускоули Исландс filed Critical Хаускоули Исландс
Priority claimed from PCT/IS2018/050008 external-priority patent/WO2019053749A1/en
Publication of RU2020111951A publication Critical patent/RU2020111951A/en
Publication of RU2020111951A3 publication Critical patent/RU2020111951A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2803599C2 publication Critical patent/RU2803599C2/en

Links

Abstract

FIELD: electrical chemistry.
SUBSTANCE: method for producing ammonia, including: supplying N2 to an electrolytic cell containing at least one source of protons; enabling N2 contact with the surface of the cathode electrode in an electrolytic cell, where the surface of the cathode electrode contains a catalytic surface containing at least one transition metal oxide selected from the group consisting of niobium oxide, tantalum oxide, osmium oxide, rhenium oxide and iridium oxide, where at least one transition metal oxide contains at least one surface having a face; and passing a current through this electrolytic cell, whereby nitrogen reacts with protons to form ammonia. The invention also relates to a system.
EFFECT: obtaining ammonia at room ambient temperature and atmospheric pressure.
22 cl, 44 dwg, 1 tbl, 2 ex

Description

Область техники Field of technology

Данное изобретение относится к области химии технологических процессов и, в частности, касается получения аммиака электролитическими способами и предназначенных для этого новых катализаторов.This invention relates to the field of chemistry of technological processes and, in particular, concerns the production of ammonia by electrolytic methods and new catalysts intended for this.

Введение Introduction

Аммиак является одним из химических веществ, производимых в мире в наиболее высоком объеме. Промышленный синтез аммиака, называемый в настоящее время процессом Габера-Боша, является первой гетерогенной каталитической системой, ключевым элементом глобального промышленного производства азотных удобрений. На сегодняшний день аммиак также привлекает внимание в качестве возможного энергоносителя и потенциального топлива для транспорта с высокой удельной энергоемкостью, но без выбросов CO2. Централизованный и энергоемкий процесс Габера-Боша требует высокого давления (150-350 атм) и высокой температуры (350-550 °С) для непосредственной диссоциации и объединения молекул газа азота и водорода над катализатором на основе рутения или железа с образованием аммиака по следующей реакции:Ammonia is one of the chemicals produced in the world in the highest volume. Industrial ammonia synthesis, now called the Haber-Bosch process, is the first heterogeneous catalytic system, a key element in the global industrial production of nitrogen fertilizers. Today, ammonia is also attracting attention as a possible energy carrier and a potential fuel for transport with high specific energy intensity, but without CO 2 emissions. The centralized and energy-intensive Haber-Bosch process requires high pressure (150-350 atm) and high temperature (350-550 °C) to directly dissociate and combine nitrogen and hydrogen gas molecules over a ruthenium or iron catalyst to form ammonia by the following reaction:

Недостатком этого промышленного подхода является высокая температура и давление, необходимые ввиду кинетических и термодинамических причин. Другой и более серьезный недостаток заключается в том, что газообразный водород получают из природного газа. Этот многостадийный процесс занимает большую часть всего химического производства и является наиболее дорогостоящим и неблагоприятным для окружающей среды. Это обстоятельство представляет собой главную причину, по которой необходима разработка самодостаточного процесса, поскольку в какой-то момент запасы природного газа будут исчерпаны. В этой связи большое значение будет иметь мелкомасштабная система для децентрализованного производства аммиака, в которой используется меньше энергии и условия окружающей среды. Кроме того, для оптимизации эффективности синтеза аммиака будут высоко цениться новые катализаторы, способные гидрировать молекулярный азот с разумной скоростью, но в более мягких условиях.The disadvantage of this industrial approach is the high temperature and pressure required due to kinetic and thermodynamic reasons. Another and more serious disadvantage is that hydrogen gas is obtained from natural gas. This multi-step process takes up the majority of all chemical production and is the most expensive and environmentally unfriendly. This fact is the main reason why it is necessary to develop a self-sustaining process, since at some point natural gas reserves will be exhausted. In this regard, a small-scale system for decentralized ammonia production that uses less energy and environmental conditions will be of great importance. In addition, to optimize the efficiency of ammonia synthesis, new catalysts capable of hydrogenating molecular nitrogen at a reasonable rate, but under milder conditions, will be highly valued.

Тройная связь в молекулярном азоте N2 очень прочная и, как следствие, азот является очень неактивным и часто используется в качестве инертного газа. Она разрывается в жестких условиях процесса Габера-Боша, однако она также разрывается при условиях окружающей среды в ходе природного процесса, осуществляемого микроорганизмами с помощью фермента нитрогеназы. Активным центром нитрогеназы является кластер MoFe7S9N, катализирующий образование аммиака из сольватированных протонов, электронов и атмосферного азота посредством электрохимической реакцииThe triple bond in molecular nitrogen N2 is very strong and, as a result, nitrogen is very inactive and is often used as an inert gas. It ruptures under the harsh conditions of the Haber-Bosch process, but it also ruptures under environmental conditions through a natural process carried out by microorganisms using the enzyme nitrogenase. The active center of nitrogenase is the MoFe 7 S 9 N cluster, which catalyzes the formation of ammonia from solvated protons, electrons and atmospheric nitrogen through an electrochemical reaction

N2 + 8H+ + 8e- → 2NH3 + H2 N 2 + 8H + + 8e- → 2NH 3 + H 2

Вдохновленная природой, биологическая фиксация азота в качестве альтернативы процессу Габера-Боша для синтеза аммиака при условиях окружающей среды привлекает большое внимание. Много сил было вложено в исследования, направленные на разработку аналогичных электрохимических процессов. В последние десятилетия были исследованы различные способы синтеза аммиака при условиях окружающей среды. (Giddey S, Int J Hydrogen Energy 2013, 38, 14576-14594; Amar A, J Solid State Electrochem 2011, 15, 1845-60; Shipman MA, Catalysis Today 2017, 286, 57-68). Хотя такие исследования позволили понять процесс образования аммиака, их кинетика все еще является слишком медленной для практического применения, и в большинстве случаев газообразный водород в основном образуется быстрее, чем происходит протонирование азота. Восстановление молекулярного азота протонами и электронами для селективного образования аммиака при комнатной температуре и давлении оказалось гораздо сложнее, чем ожидалось. Inspired by nature, biological nitrogen fixation as an alternative to the Haber-Bosch process for ammonia synthesis under ambient conditions has attracted much attention. Much effort has been invested in research aimed at developing similar electrochemical processes. In recent decades, various methods for the synthesis of ammonia under ambient conditions have been explored. (Giddey S, Int J Hydrogen Energy 2013, 38, 14576-14594; Amar A, J Solid State Electrochem 2011, 15, 1845-60; Shipman MA, Catalysis Today 2017, 286, 57-68). Although such studies have provided insight into the formation of ammonia, their kinetics are still too slow for practical use, and in most cases hydrogen gas is generally produced faster than nitrogen protonation occurs. Reducing molecular nitrogen with protons and electrons to selectively form ammonia at room temperature and pressure has proven to be much more difficult than expected.

Авторы изобретения ранее установили (WO 2015/189865), что некоторые катализаторы на основе нитридов металлов могут использоваться в электрохимических процессах получения аммиака. Однако остается неясным, могут ли другие или дополнительные соединения металлов быть эффективными при получении аммиака. Другие попытки искусственного синтеза аммиака с использованием электрохимических методов привели к относительно низким коэффициентам использования тока (CE). В случае многих из них регенерация активного азотфиксирующего комплекса оказалась проблематичной, и скорости получения далеки от рентабельности.The inventors have previously found (WO 2015/189865) that certain metal nitride catalysts can be used in electrochemical ammonia processes. However, it remains unclear whether other or additional metal compounds may be effective in producing ammonia. Other attempts to artificially synthesize ammonia using electrochemical methods have resulted in relatively low current efficiency (CE). For many of them, regeneration of the active nitrogen-fixing complex has proven problematic, and production rates are far from cost-effective.

Краткое описание изобретенияBrief description of the invention

Вышеуказанные признаки вместе с дополнительными деталями изобретения дополнительно описаны в приведенных ниже примерах, которые предназначены для дополнительной иллюстрации изобретения, но не предназначены для ограничения его объема каким-либо образом.The above features, together with additional details of the invention, are further described in the following examples, which are intended to further illustrate the invention, but are not intended to limit its scope in any way.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что определенные катализаторы на основе оксидов переходных металлов могут быть использованы в электрохимических процессах получения аммиака. Это привело к созданию настоящего изобретения, которое делает возможным получение аммиака при комнатной температуре окружающей среды и атмосферном давлении.The present inventors have discovered that certain transition metal oxide catalysts can be used in electrochemical processes for the production of ammonia. This has led to the present invention, which makes it possible to produce ammonia at ambient room temperature and atmospheric pressure.

Настоящее изобретение относится к способу получения аммиака, включающему подачу N2 в электролитическую ячейку, содержащую по меньшей мере один источник протонов; обеспечение возможности контакта N2 с поверхностью катодного электрода в электролитической ячейке, где поверхность катодного электрода содержит каталитическую поверхность, содержащую по меньшей мере один оксид переходного металла; и пропускание тока через указанную электролитическую ячейку, в результате чего азот реагирует с протонами с образованием аммиака.The present invention relates to a method for producing ammonia, comprising supplying N 2 to an electrolytic cell containing at least one proton source; allowing N 2 to contact the surface of a cathode electrode in an electrolytic cell, wherein the surface of the cathode electrode comprises a catalytic surface containing at least one transition metal oxide; and passing a current through said electrolytic cell, causing nitrogen to react with protons to form ammonia.

Изобретение также относится к системе для генерирования аммиака, в частности, системе, которая осуществляет способ получения аммиака, раскрытый в настоящем документе. Таким образом, изобретение относится к системе для генерирования аммиака, содержащей по меньшей мере одну электрохимическую ячейку, содержащую по меньшей мере один катодный электрод, имеющий каталитическую поверхность, где указанная каталитическая поверхность заполнена по меньшей мере одним катализатором, содержащим один или более оксидов переходных металлов.The invention also relates to a system for generating ammonia, in particular, a system that implements the process for producing ammonia disclosed herein. Thus, the invention relates to a system for generating ammonia comprising at least one electrochemical cell containing at least one cathode electrode having a catalytic surface, wherein said catalytic surface is filled with at least one catalyst containing one or more transition metal oxides.

В способе и системе в соответствии с изобретением оксид переходного металла может быть выбран из группы, состоящей из оксида титана, оксида хрома, оксида марганца, оксида ниобия, оксида тантала, оксида рутения, оксида родия, оксида платины, оксида осмия, оксида рения и оксида иридия. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления оксид выбран из группы, состоящей из оксида рения, оксида тантала и оксида ниобия.In the method and system according to the invention, the transition metal oxide may be selected from the group consisting of titanium oxide, chromium oxide, manganese oxide, niobium oxide, tantalum oxide, ruthenium oxide, rhodium oxide, platinum oxide, osmium oxide, rhenium oxide and iridium. In some preferred embodiments, the oxide is selected from the group consisting of rhenium oxide, tantalum oxide and niobium oxide.

Каталитическая поверхность может содержать по меньшей мере одну поверхность, имеющую структуру рутила, в частности, структуру рутила, имеющую грань (110), на которой происходят каталитические реакции. В некоторых вариантах осуществления катализатор содержит поверхность, имеющую мостиковые участки между шестикратно координированными атомами переходного металла, покрытые атомами водорода.The catalytic surface may comprise at least one surface having a rutile structure, in particular a rutile structure having a (110) face on which catalytic reactions occur. In some embodiments, the catalyst comprises a surface having bridging regions between sixfold coordinated transition metal atoms covered with hydrogen atoms.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВBRIEF DESCRIPTION OF GRAPHIC MATERIALS

Специалисту в данной области будет ясно, что фигуры, описанные ниже, предназначены только для целей иллюстрации. Фигуры никоим образом не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения.One skilled in the art will appreciate that the figures described below are for illustrative purposes only. The figures are in no way intended to limit the scope of the present invention.

На ФИГ. 1 показаны три разные поверхности на грани (110). (а) Восстановленная поверхность находится слева, где мостиковые участки между шестикратно координированными атомами металла остаются вакантными. Мостиковые участки и участки cus отмечены на рисунке восстановленной поверхности. (b) Поверхность, модифицированная 0,5 ML (монослой) водорода, представляет собой структуру в центре, где атомы водорода занимают br-участки. (c) Поверхности, модифицированные 0,5 ML кислорода, где кислород занимает br-участки вместо водорода, изображены справа.In FIG. Figure 1 shows three different surfaces on the (110) face. (a) The restored surface is on the left, where the bridging regions between the sixfold coordinated metal atoms remain vacant. The bridge and cus areas are marked in the drawing of the restored surface. (b) The surface modified with 0.5 ML (monolayer) of hydrogen presents a structure in the center where hydrogen atoms occupy br sites. (c) Surfaces modified with 0.5 ML oxygen, where oxygen occupies br sites instead of hydrogen, are depicted on the right.

На ФИГ. 2-12 показана относительная стабильность адсорбатов, образованных восстановлением протонов и окислением воды на различных поверхностях оксидов переходных металлов (110) в структуре рутила. Верхняя (плоская) линия на каждой диаграмме показывает восстановленную поверхность, используемую в качестве эталона, где все атомы кислорода мостика были восстановлены до H2O. Показана относительная стабильность адсорбатов для граней (110) NbO2, TiO2, TaO2, ReO2, IrO2, OsO2, CrO2, MnO2, RuO2, RhO2 и PtO2, соответственно. In FIG. Figures 2-12 show the relative stability of adsorbates formed by proton reduction and water oxidation on various transition metal (110) oxide surfaces in the rutile structure. The top (flat) line in each diagram shows the reduced surface used as a reference, where all bridge oxygen atoms have been reduced to H 2 O. The relative stability of the adsorbates for the (110) faces of NbO 2 , TiO 2 , TaO 2, ReO 2, IrO 2, OsO 2, CrO 2, MnO 2, RuO 2, RhO 2 and PtO 2 , respectively.

На ФИГ. 13 показана диаграмма свободной энергии для образования NH3 на грани (110) рутила NbO2. Стадия определения потенциала (PDS) для поверхности, модифицированной водородом, является первой стадией протонирования, тогда как PDS для поверхности, модифицированной кислородом, и восстановленной поверхности является последней стадией протонирования от *NH2 до NH3. Все стадии реакции относятся к чистой поверхности и N2 и H2 в газовой фазе. Десорбция газообразного аммиака обозначена стрелками. Промежуточное соединение черного цвета относится к поверхностям, где не указано другое промежуточное соединение, тогда как промежуточное соединение другого цвета относится только к этой конкретной поверхности.In FIG. Figure 13 shows the free energy diagram for the formation of NH 3 on the (110) face of rutile NbO 2 . The potential determination step (PDS) for the hydrogen-modified surface is the first protonation step, while the PDS for the oxygen-modified and reduced surfaces is the last protonation step from *NH 2 to NH 3 . All reaction steps refer to a clean surface and N 2 and H 2 in the gas phase. Desorption of ammonia gas is indicated by arrows. A black intermediate refers to surfaces where no other intermediate is specified, while a different color intermediate refers only to that specific surface.

На ФИГ. 14-23 показаны диаграммы свободной энергии для электрохимического образования аммиака на гранях (110) TiO2, TaO2, ReO2, IrO2, OsO2, CrO2, MnO2, RuO2, RhO2 и PtO2, соответственно, в структуре рутила.In FIG. 14-23 show free energy diagrams for the electrochemical formation of ammonia on the (110) faces of TiO 2 , TaO 2, ReO 2, IrO 2, OsO 2, CrO 2, MnO 2, RuO 2, RhO 2 and PtO 2 , respectively, in the structure rutile.

На ФИГ. 24 показаны прогнозируемые начальные потенциалы (ΔG = -U) для каждой из оксидных поверхностей, модифицированных различным образом; модифицированной водородом, модифицированной кислородом и восстановленной. Более широкие столбцы (слева от начальных потенциалов для каждого оксида) отражают предпочтительную модификацию поверхности (МП) при изменении приложенного потенциала, где потенциал показан на оси y. Оксиды расположены слева направо по возрастающей величине стадии определения потенциала (PDS) на поверхности, модифицированной водородом.In FIG. Figure 24 shows the predicted initial potentials (ΔG = -U) for each of the oxide surfaces modified in different ways; modified with hydrogen, modified with oxygen and reduced. The wider bars (to the left of the initial potentials for each oxide) reflect the preferred surface modification (SM) as the applied potential changes, with the potential shown on the y-axis. The oxides are arranged from left to right in increasing Potential Determination Stage (PDS) magnitude on the hydrogen-modified surface.

На ФИГ. 25-35 показаны диаграммы свободной энергии для образования NH3 на H-модифицированной поверхности 11 различных рутиловых оксидов. Все стадии реакции относятся к чистой поверхности и N2 и H2 в газовой фазе. Для каждой стадии реакции показаны все стабильные промежуточные соединения.In FIG. 25-35 show free energy diagrams for the formation of NH 3 on the H-modified surface of 11 different rutile oxides. All reaction steps refer to a clean surface and N 2 and H 2 in the gas phase. All stable intermediates are shown for each reaction step.

На ФИГ. 36 показана стадия определения потенциала электрохимического образования аммиака на каждом оксиде металла в зависимости от энергии связи N2H на металле. Линии рассчитаны с использованием масштабных соотношений, показанных на ФИГ. 26-28.In FIG. 36 shows the step of determining the electrochemical formation potential of ammonia on each metal oxide as a function of the N 2 H binding energy on the metal. The lines are calculated using the scaling relationships shown in FIG. 26-28.

На ФИГ. 37 показана стадия определения потенциала электрохимического образования аммиака на каждом оксиде металла в зависимости от энергии связи N2H на металле. Линии рассчитаны с использованием масштабных соотношений, показанных на ФИГ. 38-43. На фигуре показана диаграмма в форме вулкана, аналогичная ФИГ. 36, но на ФИГ. 37 показаны все стадии реакции.In FIG. 37 shows the step of determining the electrochemical formation potential of ammonia on each metal oxide as a function of the N 2 H binding energy on the metal. The lines are calculated using the scaling relationships shown in FIG. 38-43. The figure shows a volcano-shaped diagram similar to FIG. 36, but in FIG. Figure 37 shows all stages of the reaction.

На ФИГ. 38-41 показаны энергии адсорбции NHNH, NNH2, NHNH2, NH2NH2, NH2+NH2, NH+NH3 и NH2 в зависимости от энергии хемосорбции NNH. Для каждого адсорбата приведено уравнение лучшей линии для набора данных. In FIG. 38-41 show the adsorption energies of NHNH, NNH 2 , NHNH 2 , NH 2 NH 2 , NH 2 +NH 2 , NH+NH 3 and NH 2 depending on the chemisorption energy of NNH. For each adsorbate, the best line equation for the data set is given.

На ФИГ. 42 показаны энергии адсорбции N в зависимости от энергии хемосорбции N2H. Для каждого адсорбата приведено уравнение лучшей линии для набора данных.In FIG. Figure 42 shows the N adsorption energies as a function of the N 2 H chemisorption energies. For each adsorbate, the best line equation for the data set is given.

На ФИГ. 43 показаны энергии адсорбции NH и NH2 в зависимости от энергии хемосорбции N2H. Для каждого адсорбата приведено уравнение лучшей линии для набора данных.In FIG. Figure 43 shows the adsorption energies of NH and NH 2 as a function of the chemisorption energies of N 2 H. For each adsorbate, the best line equation for the data set is given.

На ФИГ. 44 показана стадия определения потенциала для каждой стадии реакции электрохимического образования аммиака на оксидах металлов, изображенная в зависимости от энергии связи N2H на металле.In FIG. 44 shows the step of determining the potential for each stage of the reaction of electrochemical formation of ammonia on metal oxides, plotted as a function of the N 2 H binding energy on the metal.

Описание изобретения Description of the invention

Далее будут описаны иллюстративные варианты осуществления изобретения со ссылкой на графические материалы. Эти примеры приведены для обеспечения лучшего понимания изобретения без ограничения его объема.Illustrative embodiments of the invention will now be described with reference to the drawings. These examples are provided to provide a better understanding of the invention without limiting its scope.

В нижеследующем описании описана последовательность стадий. Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что, если только этого не требует контекст, порядок стадий не является существенно важным для получаемой конфигурации и ее эффекта. Кроме того, специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что независимо от порядка стадий между все или некоторые из описанных стадий могут быть проведены с временной задержкой или без нее.The following description describes the sequence of steps. It will be clear to one skilled in the art that, unless the context requires it, the order of the steps is not essential to the resulting configuration and its effect. In addition, it will be apparent to one skilled in the art that regardless of the order of steps between all or some of the described steps may be carried out with or without a time delay.

В контексте настоящего документа, в том числе в формуле изобретения, термины в единственном числе следует толковать как включающие также форму множественного числа и наоборот, если контекст не указывает на иное. Таким образом, следует отметить, что в контексте настоящего документа термины в единственном числе включают соответствующие термины во множественном числе, если контекст явным образом не требует обратного.As used herein, including in the claims, terms in the singular should be construed to also include the plural and vice versa, unless the context indicates otherwise. Accordingly, it should be noted that, as used herein, terms in the singular include the corresponding plural terms unless the context clearly requires otherwise.

Во всем описании и формуле изобретения термины «содержащий», «включающий» и «имеющий», и их вариации следует толковать как означающие «включая, но не ограничиваясь перечисленным», и они не подразумевают исключение других компонентов.Throughout the specification and claims, the terms “comprising,” “including,” and “having,” and variations thereof, are to be construed to mean “including, but not limited to,” and are not intended to exclude other components.

Настоящее изобретение также охватывает точные термины, признаки, значения и диапазоны и т. д. в случае, если эти термины, признаки, значения и диапазоны и т. д. используются в сочетании с такими терминами, как приблизительно, около, в целом, по существу, в принципе, по меньшей мере и т. д. (то есть «приблизительно 3» также должно охватывать ровно 3, или «по существу постоянное» также должно охватывать точно постоянное).The present invention also covers the precise terms, features, meanings and ranges, etc., when these terms, features, meanings, and ranges, etc. are used in conjunction with such terms as about, about, generally, according to essentially, in principle, at least, etc. (that is, "approximately 3" must also cover exactly 3, or "essentially constant" must also cover exactly constant).

Термин «по меньшей мере один» следует толковать как означающий «один или более», и поэтому он включает оба варианта осуществления, включающие один или несколько компонентов. Кроме того, зависимые пункты формулы изобретения, которые ссылаются на независимые пункты формулы изобретения, описывающие признаки с использованием выражения «по меньшей мере один», имеют одинаковое значение, когда элемент упоминается как «указанный» и «по меньшей мере один».The term “at least one” should be interpreted to mean “one or more” and therefore includes both embodiments including one or more components. In addition, dependent claims that refer to independent claims that describe features using the expression “at least one” have the same meaning when the element is referred to as “specified” and “at least one”.

Следует иметь в виду, что в вышеописанных вариантах осуществления изобретения могут быть сделаны изменения без отклонения от объема изобретения. Признаки, раскрытые в описании, если не указано иное, могут быть заменены альтернативными признаками, служащими той же, эквивалентной или аналогичной цели. Таким образом, если не указано иное, каждый раскрытый признак представляет собой один пример общей серии эквивалентных или аналогичных признаков.It should be understood that changes may be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the invention. The features disclosed in the specification, unless otherwise indicated, may be replaced by alternative features serving the same, equivalent or similar purpose. Thus, unless otherwise indicated, each feature disclosed represents one example of a general series of equivalent or similar features.

Указание на примеры, такое как «к примеру», «такой как», «например» и тому подобное, предназначено лишь для лучшей иллюстрации изобретения и не обладает ограничительным характером в отношении объема изобретения, если это не заявлено в формуле изобретения. Любые стадии, описанные в описании, могут быть проведены в любом порядке или одновременно, если контекст явно не указывает на иное.References to examples such as “for example,” “such as,” “for example,” and the like are intended only to better illustrate the invention and are not intended to be limiting as to the scope of the invention unless so stated in the claims. Any of the steps described herein may be performed in any order or simultaneously unless the context clearly indicates otherwise.

Все признаки и/или стадии, раскрытые в описании, могут быть объединены в любой комбинации, за исключением комбинаций, в которых по меньшей мере некоторые из признаков и/или стадий являются взаимоисключающими. В частности, предпочтительные признаки изобретения применимы ко всем аспектам изобретения и могут быть использованы в любой комбинации.All features and/or steps disclosed herein may be combined in any combination, except combinations in which at least some of the features and/or steps are mutually exclusive. In particular, the preferred features of the invention apply to all aspects of the invention and can be used in any combination.

Настоящее изобретение основано на неожиданном открытии, что на поверхности некоторых катализаторов на основе оксидов переходных металлов возможно образование аммиака при температуре окружающей среды и давлении с низким приложенным потенциалом. Учитывая важность аммиака, в частности, в производстве удобрений, а также энергоемкие и неблагоприятные для окружающей среды условия, которые обычно используются при его производстве, изобретение находит важное применение в различных отраслях промышленности.The present invention is based on the unexpected discovery that ammonia can form on the surface of certain transition metal oxide catalysts at ambient temperature and pressure with low applied potential. Given the importance of ammonia, in particular in the production of fertilizers, and the energy-intensive and environmentally unfavorable conditions that are typically used in its production, the invention has important applications in various industries.

Таким образом, изобретение обеспечивает способы и системы для генерирования аммиака при температуре и давлении окружающей среды. Температура окружающей среды обычно может относиться к обычным температурам как внутреннего, так и наружного воздуха. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления способ и систему согласно изобретению применяют при температуре от приблизительно минус 10° до приблизительно 40 °C, например, от приблизительно 0° до приблизительно 40 °C, например, от приблизительно минус 10°, или от приблизительно минус 5 °C, или от приблизительно 0°, или от приблизительно 4 °C, или от приблизительно 5 °C, или от приблизительно 8 °C, или от приблизительно 10 °C до приблизительно 40 °C, или до приблизительно 30 °C, например, в диапазоне приблизительно 20-30 °C или в диапазоне приблизительно 20-25 °C. Давление окружающей среды обычно относится к атмосферному давлению. В способе и системе согласно настоящему изобретению используется электролитическая ячейка, которая может представлять собой любую из ряда традиционных коммерчески пригодных и практически реализуемых конструкций электролитической ячейки, которые могут вмещать катод специального назначения в соответствии с изобретением. Таким образом, ячейка и система могут в некоторых вариантах осуществления иметь одну или более катодных ячеек и одну или более анодных ячеек.Thus, the invention provides methods and systems for generating ammonia at ambient temperature and pressure. Ambient temperature can generally refer to the normal temperatures of both indoor and outdoor air. Accordingly, in some embodiments, the method and system of the invention is used at a temperature of from about minus 10° to about 40°C, such as from about 0° to about 40°C, such as from about minus 10°, or from about minus 5 °C, or from about 0°, or from about 4 °C, or from about 5 °C, or from about 8 °C, or from about 10 °C to about 40 °C, or to about 30 °C, for example , in the range of approximately 20-30 °C or in the range of approximately 20-25 °C. Ambient pressure usually refers to atmospheric pressure. The method and system of the present invention uses an electrolytic cell, which can be any of a number of conventional commercially available and practicable electrolytic cell designs that can accommodate the special purpose cathode of the invention. Thus, the cell and system may, in some embodiments, have one or more cathode cells and one or more anode cells.

Электролитическая ячейка в данном контексте представляет собой электрохимическую ячейку, претерпевающая окислительно-восстановительную реакцию при подаче электрической энергии на ячейку.An electrolytic cell in this context is an electrochemical cell that undergoes a redox reaction when electrical energy is applied to the cell.

Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что химические соединения, как описано в настоящем документе, имеют свою химическую формулу независимо от их фазы или состояния. В частности, соединения, которые присутствуют в своем газообразном состоянии, находясь в чистом и выделенном виде при комнатной температуре (такие как N2, H2 и NH3), описаны в настоящем документе их химической формулой. Например, молекулярный азот в настоящем документе описывается как N2, независимо от того, присутствует ли он в виде газообразного азота, в виде отдельных молекул, в кластерах, связан с поверхностями или представлен в виде растворенных веществ, и то же самое относится к другим молекулярным частицам, описанным в настоящем документе.It will be clear to one skilled in the art that chemical compounds as described herein have their own chemical formula regardless of their phase or state. In particular, compounds that are present in their gaseous state, being pure and isolated at room temperature (such as N 2 , H 2 and NH 3 ), are described herein by their chemical formula. For example, molecular nitrogen is described herein as N2 , whether present as nitrogen gas, as individual molecules, in clusters, bound to surfaces, or present as solutes, and the same applies to other molecular particles described herein.

Донором протонов может быть любое подходящее вещество, способное отдавать протоны в электролитической ячейке. Донор протонов может, например, представлять собой кислоту, такую как любая подходящая органическая или неорганическая кислота. Донор протонов может быть представлен в кислых, нейтральных или щелочных водных растворах. Донор протонов также, или в качестве альтернативы, может быть обеспечен при окислении H2 на аноде. То есть, водород можно рассматривать как источник протонов:The proton donor can be any suitable substance capable of donating protons in an electrolytic cell. The proton donor may, for example, be an acid, such as any suitable organic or inorganic acid. The proton donor can be present in acidic, neutral or alkaline aqueous solutions. A proton donor may also, or alternatively, be provided by H 2 oxidation at the anode. That is, hydrogen can be considered as a source of protons:

Электролитическая ячейка содержит по меньшей мере три основные части или компонента: катодный электрод, анодный электрод и электролит. Общая реакция на катоде может быть представлена какAn electrolytic cell contains at least three main parts or components: a cathode electrode, an anode electrode, and an electrolyte. The overall reaction at the cathode can be represented as

. .

Поверхность катализатора может быть гидрирована путем добавления одного атома водорода за раз, представляющего собой протон из раствора и электрон с поверхности электрода. Механизм реакции может быть показан в уравнениях ниже, где звездочкой обозначен участок на поверхности:The catalyst surface can be hydrogenated by adding one hydrogen atom at a time, representing a proton from solution and an electron from the electrode surface. The reaction mechanism can be shown in the equations below, where the asterisk indicates the area on the surface:

После добавления 3(H+ + e-) образуется одна молекула аммиака, и вторая образуется после добавления 6(H+ + e-).After adding 3(H + + e - ), one molecule of ammonia is formed, and the second is formed after adding 6(H + + e - ).

Различные части или компоненты могут быть предоставлены в отдельных контейнерах, или они могут быть предоставлены в одном контейнере. Преимущество настоящего изобретения состоит в том, что способ и система могут подходящим образом применяться с использованием водных электролитов, таких как предпочтительно водные растворы с растворенными электролитами (солями). Таким образом, в предпочтительных вариантах осуществления способа и системы электролитическая ячейка содержит один или более водных электролитических растворов в одном или более отсеках ячейки. Растворы электролита могут содержать любые из различных обычных неорганических или органических солей, таких как, не ограничиваясь перечисленным, растворимые хлориды, нитраты, хлораты, бромиды и т. д., например, хлорид натрия, хлорид калия, хлорид кальция, хлорид аммония и другие подходящие соли. Водные растворы электролитов могут также содержать любой гидроксид щелочных или щелочноземельных металлов или их комбинацию, таких как гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид лития, гидроксид кальция, гидроксид рубидия и гидроксид цезия. Водный раствор электролита может также дополнительно или в качестве альтернативы содержать одну или несколько органических или неорганических кислот. Неорганические кислоты могут включать минеральные кислоты, включающие, не ограничиваясь перечисленным, соляную кислоту, азотную кислоту, фосфорную кислоту, серную кислоту, борную кислоту, фтористоводородную кислоту, бромистоводородную кислоту, тетрафторуксусную кислоту, уксусную кислоту и хлорную кислоту. Соответственно, водный раствор может быть нейтральным, щелочным или кислым раствором. В некоторых вариантах осуществления водный раствор представляет собой кислый раствор. Электролит также может представлять собой расплав соли, например, соль хлорида натрия. В некоторых вариантах осуществления электролитическая ячейка содержит электролитический раствор, содержащий органический протонный или апротонный растворитель или их смешивающуюся смесь, предпочтительно смешивающийся с водой органический растворитель, такой как, например, не ограничиваясь перечисленным, этанол, этиленгликоль, бутандиол, глицерин, диэтаноламин, диметоксиэтан, 1,4-диоксан и их смеси. Электролитический раствор может представлять собой раствор, содержащий воду и один или более смешивающихся с водой органических растворителей, таких как, не ограничиваясь перечисленным, один или более из указанных выше растворителей. Different parts or components may be provided in separate containers, or they may be provided in a single container. An advantage of the present invention is that the method and system can suitably be applied using aqueous electrolytes, such as preferably aqueous solutions of dissolved electrolytes (salts). Thus, in preferred embodiments of the method and system, the electrolytic cell contains one or more aqueous electrolytic solutions in one or more compartments of the cell. The electrolyte solutions may contain any of various conventional inorganic or organic salts, such as, but not limited to, soluble chlorides, nitrates, chlorates, bromides, etc., for example, sodium chloride, potassium chloride, calcium chloride, ammonium chloride and other suitable salt. Aqueous electrolyte solutions may also contain any alkali or alkaline earth metal hydroxide or combination thereof, such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, calcium hydroxide, rubidium hydroxide and cesium hydroxide. The aqueous electrolyte solution may also additionally or alternatively contain one or more organic or inorganic acids. Inorganic acids may include mineral acids including, but not limited to, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, sulfuric acid, boric acid, hydrofluoric acid, hydrobromic acid, tetrafluoroacetic acid, acetic acid and perchloric acid. Accordingly, the aqueous solution may be a neutral, alkaline or acidic solution. In some embodiments, the aqueous solution is an acidic solution. The electrolyte may also be a molten salt, such as sodium chloride salt. In some embodiments, the electrolytic cell contains an electrolytic solution containing an organic protic or aprotic solvent or a miscible mixture thereof, preferably a water-miscible organic solvent such as, for example, but not limited to, ethanol, ethylene glycol, butanediol, glycerol, diethanolamine, dimethoxyethane, 1 ,4-dioxane and mixtures thereof. The electrolytic solution may be a solution containing water and one or more water-miscible organic solvents, such as, but not limited to, one or more of the above solvents.

В общих чертах, катализатор на поверхности электрода в идеале должен иметь следующие характеристики: он должен (а) быть химически стабильным, (b) не окисляться и не расходоваться иным образом во время электролитического процесса, он должен способствовать образованию аммиака, и (d) использование катализатора должно приводить к получению минимального количества газообразного водорода. Как будет описано далее, каталитические оксиды согласно изобретению удовлетворяют этим характеристикам.In general terms, the catalyst on the electrode surface should ideally have the following characteristics: it should (a) be chemically stable, (b) not oxidize or otherwise be consumed during the electrolytic process, it should promote the formation of ammonia, and (d) use catalyst should result in the production of a minimum amount of hydrogen gas. As will be described below, the catalytic oxides according to the invention satisfy these characteristics.

Преимущество настоящего изобретения состоит в том, что способ может подходящим образом применяться с использованием водных электролитов, таких как предпочтительно водные растворы с растворенными электролитами (солями). Таким образом, в предпочтительных вариантах осуществления способа и системы электролитическая ячейка содержит один или более водных электролитических растворов в одном или более отсеках ячейки. Водные растворы электролита могут содержать любые из различных обычных неорганических или органических солей, таких как, ограничиваясь перечисленным, растворимые хлориды, нитраты, хлораты, бромиды и т. д., например, хлорид натрия, хлорид калия, хлорид кальция, хлорид аммония и другие подходящие соли. Водные растворы электролитов могут также содержать любой оксид щелочных или щелочноземельных металлов или их комбинацию, таких как гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид лития, гидроксид кальция, гидроксид рубидия и гидроксид цезия. Водный раствор электролита может также дополнительно или в качестве альтернативы содержать одну или более органических или неорганических кислот. Неорганические кислоты могут включать минеральные кислоты, включающие, не ограничиваясь перечисленным, соляную кислоту, азотную кислоту, фосфорную кислоту, серную кислоту, борную кислоту, фтористоводородную кислоту, бромистоводородную кислоту и хлорную кислоту.An advantage of the present invention is that the method can suitably be applied using aqueous electrolytes, such as preferably aqueous solutions of dissolved electrolytes (salts). Thus, in preferred embodiments of the method and system, the electrolytic cell contains one or more aqueous electrolytic solutions in one or more compartments of the cell. The aqueous electrolyte solutions may contain any of various conventional inorganic or organic salts, such as, but not limited to, soluble chlorides, nitrates, chlorates, bromides, etc., for example, sodium chloride, potassium chloride, calcium chloride, ammonium chloride and other suitable salt. Aqueous electrolyte solutions may also contain any alkali or alkaline earth metal oxide or combination thereof, such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, calcium hydroxide, rubidium hydroxide and cesium hydroxide. The aqueous electrolyte solution may also additionally or alternatively contain one or more organic or inorganic acids. Inorganic acids may include mineral acids, including, but not limited to, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, sulfuric acid, boric acid, hydrofluoric acid, hydrobromic acid and perchloric acid.

Как следует из настоящего документа, существенный признак настоящего изобретения касается состава и структуры катодного электрода. Оксиды переходных металлов характеризуются широким спектром структур поверхности, которые влияют на поверхностную энергию этих соединений и влияют на их химические свойства. На относительную кислотность и основность атомов, присутствующих на поверхности оксидов металлов, также влияет координация катиона металла и аниона кислорода, которые изменяют каталитические свойства этих соединений.As can be seen herein, an essential feature of the present invention relates to the composition and structure of the cathode electrode. Transition metal oxides are characterized by a wide range of surface structures, which affect the surface energy of these compounds and affect their chemical properties. The relative acidity and basicity of the atoms present on the surface of metal oxides is also influenced by the coordination of the metal cation and oxygen anion, which changes the catalytic properties of these compounds.

В отдельных вариантах осуществления катализатор на основе оксида переходного металла на поверхности катодного электрода выбран из одного или более из следующих: оксид титана, оксид хрома, оксид марганца, оксид ниобия, оксид тантала, оксид рутения, оксид родия, оксид платины, оксид осмия, оксид рения и оксид иридия. Предпочтительно катализатор включает один или более из оксида рения, оксида тантала и оксида ниобия.In certain embodiments, the transition metal oxide catalyst on the surface of the cathode electrode is selected from one or more of the following: titanium oxide, chromium oxide, manganese oxide, niobium oxide, tantalum oxide, ruthenium oxide, rhodium oxide, platinum oxide, osmium oxide, oxide rhenium and iridium oxide. Preferably, the catalyst includes one or more of rhenium oxide, tantalum oxide and niobium oxide.

В зависимости от состава вещества катализатора подходящая поверхностная кристаллическая структура может быть предпочтительной. Для оксидов переходных металлов существуют различные кристаллические структуры, и различные структуры могут быть получены при различных условиях роста. Выбор подходящих поверхностных кристаллических структур находится в пределах компетенции специалиста в данной области техники. Depending on the composition of the catalyst material, a suitable surface crystal structure may be preferred. Various crystal structures exist for transition metal oxides, and different structures can be obtained under different growth conditions. The selection of suitable surface crystal structures is within the skill of the person skilled in the art.

Может быть предпочтительным, чтобы катализатор содержал по меньшей мере одну поверхность, имеющую структуру рутила. Также возможны другие кристаллические структуры, известные в данной области техники (например, структура галита, структура сфалерита, структура анатаза, структура перовскита) (см., например, International Tables for Crystallography - Международные таблицы по кристаллографии; http://it.iucr.org).It may be preferred that the catalyst contains at least one surface having a rutile structure. Other crystal structures known in the art (eg, halite structure, sphalerite structure, anatase structure, perovskite structure) are also possible (see, for example, International Tables for Crystallography; http://it.iucr. org) .

Для данной кристаллической структуры может существовать несколько различных поверхностных граней (поликристаллические поверхности). Грань (110) рутила имеет наименьшую свободную поверхностную энергию и поэтому в целом она термодинамически наиболее стабильна. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления оксиды переходных металлов могут иметь структуру рутила с гранью (110), образующей каталитическую поверхность. В качестве альтернативы, могут быть выбраны грани (100) и/или (111) структуры галита. For a given crystal structure, there may be several different surface faces (polycrystalline surfaces). The (110) face of rutile has the lowest free surface energy and therefore, in general, it is thermodynamically the most stable. Accordingly, in some embodiments, transition metal oxides may have a rutile structure with a (110) face forming the catalytic surface. Alternatively, the (100) and/or (111) faces of the halite structure may be selected.

Таким образом, в некоторых вариантах осуществления каталитическая поверхность представляет собой поверхность рутила переходного металла. Поверхность может иметь любую подходящую грань, включая, но не ограничиваясь, грань (110). В некоторых вариантах осуществления поверхностная грань содержит или состоит из грани (110) оксида переходного металла, выбранного из группы, состоящей из оксида титана, оксида хрома, оксида марганца, оксида ниобия, оксида тантала, оксида рутения, оксида родия, оксида платины, оксида осмия, оксида рения и оксида иридия. Thus, in some embodiments, the catalytic surface is a rutile transition metal surface. The surface may have any suitable edge, including, but not limited to, edge (110). In some embodiments, the surface facet comprises or consists of a facet (110) of a transition metal oxide selected from the group consisting of titanium oxide, chromium oxide, manganese oxide, niobium oxide, tantalum oxide, ruthenium oxide, rhodium oxide, platinum oxide, osmium oxide , rhenium oxide and iridium oxide.

В некоторых предпочтительных вариантах осуществления катализатор содержит грань (110) структуры рутила одного или более оксидов, выбранных из оксида рения, оксида тантала и оксида ниобия.In some preferred embodiments, the catalyst comprises a rutile structure face (110) of one or more oxides selected from rhenium oxide, tantalum oxide and niobium oxide.

Поверхность рутилового оксида металла, имеющая грань (110), содержит атомы металлов двух разных координационных сред, где ряды шестикратно координированных атомов металла чередуются с рядами пятикратных координированных атомов металла по направлению [001]. В то время как шестикратно координированные атомы металла имеют примерно такую же геометрию, что и основная масса, пятикратно координированные атомы металла имеют ненасыщенную связь, перпендикулярную поверхности. Таким образом, имеют место два различных участка поверхности: координационно ненасыщенные участки (cus-участки) поверх 5-кратно координированных атомов металла и мостиковые участки (br-участки) между двумя шестикратно координированными атомами металла. Было обнаружено, что br-участки обычно связывают адсорбаты сильнее, чем cus-участки. На стехиометрической поверхности (110) br-участки заняты кислородом, в то время как cus-участки вакантны. Поверхность (110) может называться как модифицированная кислородом (O-модифицированная). Мостиковые атомы кислорода недостаточно скоординированы и могут быть восстановлены на поверхности: The surface of a rutile metal oxide having a (110) face contains metal atoms of two different coordination environments, where rows of sixfold coordinated metal atoms alternate with rows of fivefold coordinated metal atoms along the [001] direction. While sixfold coordinated metal atoms have approximately the same geometry as the bulk, fivefold coordinated metal atoms have an unsaturated bond perpendicular to the surface. Thus, there are two different surface areas: coordinatively unsaturated areas (cus-sites) on top of the 5-fold coordinated metal atoms and bridging areas (br-sites) between two six-fold coordinated metal atoms. It was found that br sites tend to bind adsorbates more strongly than cus sites. On the stoichiometric (110) surface, the br sites are occupied by oxygen, while the cus sites are vacant. The (110) surface may be referred to as oxygen-modified (O-modified). The bridging oxygen atoms are not sufficiently coordinated and can be reduced to the surface:

оставляя br-участки вакантными. Эти вакантные br-участки могут затем быть дополнительно протонированы:leaving br-sites vacant. These vacant br sites can then be further protonated:

Как следствие, поверхность 110 может быть восстановлена, в результате чего мостиковые участки между шестикратно координированными атомами металла остаются вакантными. Мостиковые участки также могут быть частично или полностью заняты другими атомами, такими как атомы кислорода или водорода, как показано на ФИГ. 1 в настоящем документе.As a consequence, the surface 110 can be restored, leaving the bridging regions between the sixfold coordinated metal atoms vacant. The bridging regions may also be partially or completely occupied by other atoms, such as oxygen or hydrogen atoms, as shown in FIG. 1 in this document.

Было обнаружено, что каталитическая активность поверхности (110) также может зависеть от занятости br-участков. Таким образом, может быть термодинамически выгодным восстановить мостиковые атомы кислорода на оксидах переходных металлов до H2O и дополнительно покрыть br-участки атомами водорода.It was found that the catalytic activity of the (110) surface may also depend on the occupancy of br sites. Thus, it may be thermodynamically advantageous to reduce the bridging oxygen atoms on transition metal oxides to H 2 O and additionally cover the br sites with hydrogen atoms.

Соответственно, в некоторых вариантах осуществления мостиковые участки между шестикратно координированными атомами переходного металла на поверхностях оксида переходного металла покрыты атомами водорода.Accordingly, in some embodiments, the bridging regions between the sixfold coordinated transition metal atoms on the transition metal oxide surfaces are covered with hydrogen atoms.

Как должно быть очевидно специалисту в данной области техники, катализатор согласно изобретению может содержать один оксид переходного металла. Катализатор также может содержать или состоять из смеси двух или более таких оксидов. Такие смешанные оксиды могут содержать единую структуру, например, структуру рутила. Смешанные оксиды металлов также могут содержать смесь оксидов, имеющих различные кристаллические структуры, и/или оксидов с различными каталитическими гранями. Соответственно, такие смешанные оксиды могут дополнительно содержать одну грань или их смесь. Катализаторы на основе смешанных оксидов могут быть выращены или изготовлены отдельно и затем собраны в смешанные катализаторы, содержащие разные оксиды металлов, где оксиды в смеси имеют одинаковую или разные кристаллические структуры.As will be apparent to one skilled in the art, the catalyst of the invention may contain a single transition metal oxide. The catalyst may also contain or consist of a mixture of two or more such oxides. Such mixed oxides may contain a single structure, for example, a rutile structure. Mixed metal oxides may also contain a mixture of oxides having different crystal structures and/or oxides with different catalytic facets. Accordingly, such mixed oxides may further comprise one facet or a mixture thereof. Mixed oxide catalysts can be grown or manufactured separately and then assembled into mixed catalysts containing different metal oxides, where the oxides in the mixture have the same or different crystal structures.

Как описано более подробно в настоящем документе, пропускание тока через электролитическую ячейку приводит к химической реакции, в которой азот реагирует с протонами с образованием аммиака. Пропускание тока достигается путем подачи напряжения на ячейку. Изобретение делает возможным электролитическое получение аммиака при низком электродном потенциале, что выгодно с точки зрения энергоэффективности и требований к оборудованию. As described in more detail herein, passing current through an electrolytic cell results in a chemical reaction in which nitrogen reacts with protons to form ammonia. Current passing is achieved by applying voltage to the cell. The invention makes it possible to electrolytically produce ammonia at a low electrode potential, which is beneficial from the point of view of energy efficiency and equipment requirements.

Не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией, считается, что оксидные катализаторы способны сместить «узкое место» синтеза аммиака с расщепления N2 на последовательное образование азотно-водородных частиц (*NH,*NH2 или *NH3), из-за чего ожидается более простое, но при этом с более высоким выходом образование аммиака. Without being bound by any particular theory, it is believed that oxide catalysts are capable of shifting the bottleneck of ammonia synthesis from the breakdown of N 2 to the sequential formation of nitrogen-hydrogen species (*NH, *NH 2 or *NH 3 ), which is expected to simpler, but at the same time higher yield, formation of ammonia.

В некоторых пригодных вариантах осуществления изобретения аммиак может быть образован при электродном потенциале менее чем приблизительно минус 1,1 В, менее чем приблизительно минус 1,0 В, менее чем приблизительно минус 0,9 В, менее чем приблизительно минус 0,8 В, менее чем приблизительно минус 0,7 В, менее чем приблизительно минус 0,6 В, менее чем приблизительно 0,5 В или менее чем приблизительно минус 0,4 В. В некоторых вариантах осуществления аммиак может быть образован при электродном потенциале от приблизительно минус 0,2 В до приблизительно минус 1,0 В, например, от приблизительно минус 0,3 В до приблизительно минус 0,8 В, например, от приблизительно минус 0,4 В до приблизительно минус 1,0 В или от приблизительно минус 0,5 В до приблизительно минус 1,0 В. Верхний предел диапазона может составлять приблизительно минус 0,6 В, приблизительно минус 0,7 В, приблизительно минус 0,8 В, приблизительно минус 1,0 В или приблизительно минус 1,1 В. Нижний предел диапазона может составлять приблизительно минус 0,2 В, приблизительно минус 0,3 В, приблизительно минус 0,4 В, приблизительно минус 0,5 В или приблизительно минус 0,6 В. In some suitable embodiments, ammonia may be formed at an electrode potential of less than about minus 1.1 V, less than about minus 1.0 V, less than about minus 0.9 V, less than about minus 0.8 V, less less than about minus 0.7 V, less than about minus 0.6 V, less than about 0.5 V, or less than about minus 0.4 V. In some embodiments, ammonia can be formed at an electrode potential of about minus 0. 2 V to about minus 1.0 V, for example, from about minus 0.3 V to about minus 0.8 V, for example, from about minus 0.4 V to about minus 1.0 V, or from about minus 0.5 V to approximately minus 1.0 V. The upper range limit may be approximately minus 0.6 V, approximately minus 0.7 V, approximately minus 0.8 V, approximately minus 1.0 V, or approximately minus 1.1 V. Lower the range limit may be approximately minus 0.2 V, approximately minus 0.3 V, approximately minus 0.4 V, approximately minus 0.5 V, or approximately minus 0.6 V.

В некоторых вариантах аммиак может быть образован с использованием катализатора на основе оксида ниобия при электродном потенциале от приблизительно минус 0,4 В до приблизительно минус 0,5 В. В некоторых вариантах аммиак может быть образован с использованием катализатора на основе оксида рения при электродном потенциале от приблизительно минус 0,8 В до приблизительно минус 0,9 В. В некоторых вариантах аммиак может быть образован с использованием катализатора на основе оксида тантала при электродном потенциале от минус 1,0 В до приблизительно минус 1,1 В.In some embodiments, ammonia can be formed using a niobium oxide catalyst at an electrode potential of from about minus 0.4 V to about minus 0.5 V. In some embodiments, ammonia can be formed using a rhenium oxide catalyst at an electrode potential from about minus 0.8 V to about minus 0.9 V. In some embodiments, ammonia can be formed using a tantalum oxide catalyst at an electrode potential of minus 1.0 V to about minus 1.1 V.

Преимуществом настоящего изобретения является эффективность образования NH3 по сравнению с образованием H2, что было проблемой в исследованиях и испытаниях предшествующего уровня техники. В отдельных вариантах осуществления изобретения образуется менее чем приблизительно 50 % молей H2 по сравнению с количеством молей образовавшегося NH3 и предпочтительно менее чем приблизительно 40 % молей H2, менее чем приблизительно 30 % молей H2, менее чем приблизительно 20 % молей H2, менее чем приблизительно 10 % молей H2, менее чем приблизительно 5 % молей H2, менее чем приблизительно 2 % молей H2 или менее чем приблизительно 1 % молей H2.An advantage of the present invention is the efficiency of NH 3 formation compared to H 2 formation, which has been a problem in prior art research and testing. In certain embodiments, less than about 50% moles of H 2 are formed compared to the number of moles of NH 3 formed, and preferably less than about 40% moles of H 2 , less than about 30% moles of H 2 , less than about 20% moles of H 2 , less than about 10% moles of H 2 , less than about 5% of moles of H 2 , less than about 2% of moles of H 2 or less than about 1% of moles of H 2 .

Система согласно изобретению подходяще разработана таким образом, чтобы соответствовать одной или более из перечисленных выше особенностей способа. Преимуществом изобретения является то, что система может быть выполнена небольшой, надежной и дешевой, например, для применения на месте для производства удобрений вблизи предполагаемого места применения.The system according to the invention is suitably designed to comply with one or more of the above listed features of the method. An advantage of the invention is that the system can be made small, reliable and inexpensive, for example for on-site application for the production of fertilizers near the intended place of application.

Аммиак может применяться в качестве удобрения путем введения его в почву в виде газа, хотя это требует инвестиций фермеров в резервуары для хранения под давлением и оборудование для введения. Аммиак также может применяться для образования мочевины, обычно путем взаимодействия с диоксидом углерода. Аммиак может реагировать с образованием азотной кислоты, которая, в свою очередь, легко реагирует с образованием нитрата аммония. Соответственно, системы и способы согласно настоящему изобретению могут быть легко объединены с существующими решениями для взаимодействия полученного аммиака с другими желаемыми продуктами, такими как, не ограничиваясь перечисленным, вышеупомянутые.Ammonia can be applied as a fertilizer by injecting it into the soil as a gas, although this requires farmers to invest in pressurized storage tanks and injection equipment. Ammonia can also be used to form urea, usually by reacting with carbon dioxide. Ammonia can react to form nitric acid, which in turn readily reacts to form ammonium nitrate. Accordingly, the systems and methods of the present invention can be easily combined with existing solutions for reacting the resulting ammonia with other desired products, such as, but not limited to, those mentioned above.

NOx и SOx являются общими терминами для обозначения моноазотных и моносерных аксоидов, таких как NO, NO2, SO, SO2 и SO3. Эти газы образуются при сгорании, особенно при высоких температурах. В районах с интенсивным автомобильным движением количество этих загрязнителей может быть значительным.NO x and SO x are general terms for mononitrogen and monosulfur axoids such as NO, NO 2 , SO, SO 2 and SO 3 . These gases are formed during combustion, especially at high temperatures. In areas with heavy traffic, the amounts of these pollutants can be significant.

Соответственно, полезный аспект изобретения относится к системе для удаления NOx и/или SOx из потока газа путем взаимодействия потока газа с аммиаком, который генерируется in situ в потоке или в системе, которая может иметь жидкостное сообщение с потоком газа. Система может содержать систему для генерирования аммиака, как описано в настоящем документе, в частности, систему, содержащую электролитическую ячейку, содержащую катализатор на основе оксида переходного металла, как описано в настоящем документе. В этом контексте следует толковать in situ как означающее, что аммиак генерируется внутри системы, например, внутри потока газа или в отсеке внутри системы, который имеет жидкостное сообщение с потоком газа. Генерируемый при этом аммиак при контакте с потоком газа будет реагировать с NOx и/или SOx в потоке газа, в результате чего эти токсичные соединения превращаются в другие молекулярные соединения, такие как N2, H2O и (NH4)2SO4. В некоторых вариантах осуществления система может быть предназначена для применения в выхлопных газах автомобильных двигателей или в других двигателях, где аммиак может генерироваться in situ способом согласно настоящему изобретению и затем использован для уменьшения SOx и/или NOx в выхлопных газах двигателя. В такой системе может соответствующим образом использоваться электрический ток, получаемый преобразованием от автомобильного двигателя. Таким образом, с использованием электрического тока от автомобильного двигателя, аммиак может быть генерирован in situ, и генерируемый таким образом аммиак может реагировать с SOx и/или NOx из выхлопных газов автомобиля. Аммиак может генерироваться в автомобиле и затем подаваться в выхлопные газы автомобиля. Аммиак также может генерироваться in situ внутри выхлопной системы автомобиля. Таким образом, NOx и/или SOx удаляются из выхлопных газов автомобиля, уменьшая количество загрязняющих веществ в выхлопных газах.Accordingly, an advantageous aspect of the invention relates to a system for removing NO x and/or SO x from a gas stream by reacting the gas stream with ammonia that is generated in situ in the stream or in a system that may be in fluid communication with the gas stream. The system may comprise a system for generating ammonia as described herein, particularly a system comprising an electrolytic cell containing a transition metal oxide catalyst as described herein. In this context, in situ should be interpreted to mean that ammonia is generated within the system, for example within a gas stream or in a compartment within the system that is in fluid communication with the gas stream. The ammonia generated in this way, when in contact with the gas stream, will react with NO x and/or SO x in the gas stream, causing these toxic compounds to be converted into other molecular compounds such as N 2 , H 2 O and (NH 4 ) 2 SO 4 . In some embodiments, the system may be for use in automotive engine exhaust or other engines where ammonia can be generated in situ by the method of the present invention and then used to reduce SO x and/or NO x in engine exhaust. Such a system can suitably utilize electric current obtained by conversion from an automobile engine. Thus, using electric current from an automobile engine, ammonia can be generated in situ, and the ammonia thus generated can react with SO x and/or NO x from the exhaust gases of the automobile. Ammonia can be generated in a vehicle and then released into the vehicle's exhaust. Ammonia can also be generated in situ within a vehicle's exhaust system. In this way, NO x and/or SO x are removed from the vehicle's exhaust gases, reducing the amount of pollutants in the exhaust gases.

Варианты осуществления изобретения включают следующие неограничивающие пункты:Embodiments of the invention include the following non-limiting points:

1. Способ получения аммиака, включающий:1. A method for producing ammonia, including:

подачу N2 в электролитическую ячейку, содержащую по меньшей мере один источник протонов;supplying N 2 to an electrolytic cell containing at least one proton source;

обеспечение возможности контакта N2 с поверхностью катодного электрода в электролитической ячейке, где поверхность катодного электрода содержит каталитическую поверхность, содержащую по меньшей мере один оксид переходного металла; иallowing N 2 to contact the surface of a cathode electrode in an electrolytic cell, wherein the surface of the cathode electrode comprises a catalytic surface containing at least one transition metal oxide; And

пропускание тока через указанную электролитическую ячейку, в результате чего азот реагирует с протонами с образованием аммиака.passing a current through said electrolytic cell, causing nitrogen to react with protons to form ammonia.

2. Способ по п. 1, где катализатор содержит один или более оксидов переходных металлов, выбранных из группы, состоящей из оксида титана, оксида хрома, оксида марганца, оксида ниобия, оксида тантала, оксида рутения, оксида родия, оксида платины, оксида осмия, оксида рения и оксида иридия.2. The method according to claim 1, where the catalyst contains one or more transition metal oxides selected from the group consisting of titanium oxide, chromium oxide, manganese oxide, niobium oxide, tantalum oxide, ruthenium oxide, rhodium oxide, platinum oxide, osmium oxide , rhenium oxide and iridium oxide.

3. Способ по п. 1 или п. 2, где катализатор содержит один или более оксидов, выбранных из группы, состоящей из оксида рения, оксида тантала и оксида ниобия.3. The method according to claim 1 or claim 2, where the catalyst contains one or more oxides selected from the group consisting of rhenium oxide, tantalum oxide and niobium oxide.

4. Способ по любому из пп. 1-3, где каталитическая поверхность содержит по меньшей мере одну поверхность, имеющую структуру рутила.4. Method according to any one of paragraphs. 1-3, where the catalytic surface contains at least one surface having a rutile structure.

5. Способ по любому из пп. 1-4, где каталитическая поверхность содержит по меньшей мере одну поверхность, имеющую грань (110).5. Method according to any one of paragraphs. 1-4, where the catalytic surface comprises at least one surface having an edge (110).

6. Способ по любому из пп. 1-5, где аммиак образуется в электролитической ячейке при электродном потенциале менее чем приблизительно минус 1,0 В, более предпочтительно менее чем приблизительно минус 0,8 В и еще более предпочтительно менее чем приблизительно минус 0,5 В.6. Method according to any one of paragraphs. 1-5, wherein ammonia is generated in the electrolytic cell at an electrode potential of less than about minus 1.0 V, more preferably less than about minus 0.8 V, and even more preferably less than about minus 0.5 V.

7. Способ по любому из пп. 1-6, где катализатор содержит оксид ниобия, и где аммиак образуется в электролитической ячейке при электродном потенциале менее чем приблизительно минус 0,5 В.7. Method according to any one of paragraphs. 1-6, where the catalyst contains niobium oxide, and where ammonia is formed in the electrolytic cell at an electrode potential of less than about minus 0.5 V.

8. Способ по любому из пп. 1-7, где катализатор содержит оксид рения, и где аммиак образуется в электролитической ячейке при электродном потенциале менее чем приблизительно минус 0,9 В.8. Method according to any one of paragraphs. 1-7, where the catalyst contains rhenium oxide, and where ammonia is formed in the electrolytic cell at an electrode potential of less than about minus 0.9 V.

9. Способ по любому из пп. 1-8, где катализатор содержит оксид тантала, и где аммиак образуется в электролитической ячейке при электродном потенциале менее чем приблизительно минус 1,0 В.9. Method according to any one of paragraphs. 1-8, wherein the catalyst comprises tantalum oxide, and wherein ammonia is generated in the electrolytic cell at an electrode potential of less than about minus 1.0 V.

10. Способ по любому из пп. 1-9, где образуется менее 50 % молей H2 по сравнению с количеством молей образовавшегося NH3, предпочтительно менее 20 % и еще более предпочтительно менее 10 %.10. Method according to any one of paragraphs. 1-9, where less than 50% of the moles of H 2 are formed compared to the number of moles of NH 3 formed, preferably less than 20% and even more preferably less than 10%.

11. Способ по любому из пп. 1-10, где указанная электролитическая ячейка содержит один или более водных электролитических растворов.11. Method according to any one of paragraphs. 1-10, wherein said electrolytic cell contains one or more aqueous electrolytic solutions.

12. Способ по любому из пп. 1-11, где источником протонов при образовании аммиака является расщепление воды на электроде или реакция окисления H2 на аноде.12. Method according to any one of paragraphs. 1-11, where the source of protons in the formation of ammonia is the splitting of water at the electrode or the oxidation reaction of H 2 at the anode.

13. Система для генерирования аммиака, содержащая по меньшей мере одну электрохимическую ячейку, содержащую по меньшей мере один катодный электрод, имеющий каталитическую поверхность, где каталитическая поверхность заполнена по меньшей мере одним катализатором, содержащим один или более оксидов переходных металлов.13. A system for generating ammonia, comprising at least one electrochemical cell containing at least one cathode electrode having a catalytic surface, where the catalytic surface is filled with at least one catalyst containing one or more transition metal oxides.

14. Система по п. 13, где по меньшей мере один оксид переходного металла выбран из группы, состоящей из оксида титана, оксида хрома, оксида марганца, оксида ниобия, оксида тантала, оксида рутения, оксида родия, оксида платины, оксида осмия, оксида рения и оксида иридия.14. The system of claim 13, wherein the at least one transition metal oxide is selected from the group consisting of titanium oxide, chromium oxide, manganese oxide, niobium oxide, tantalum oxide, ruthenium oxide, rhodium oxide, platinum oxide, osmium oxide, oxide rhenium and iridium oxide.

15. Система по п. 13 или п. 14, где по меньшей мере один оксид переходного металла выбран из группы, состоящей из оксида рения, оксида тантала и оксида ниобия.15. The system of claim 13 or claim 14, wherein the at least one transition metal oxide is selected from the group consisting of rhenium oxide, tantalum oxide and niobium oxide.

16. Система по п. 14 или п. 15, где каталитическая поверхность содержит по меньшей мере одну поверхность, имеющую структуру рутила.16. The system of claim 14 or claim 15, wherein the catalytic surface comprises at least one surface having a rutile structure.

17. Система по любому из пп. 14-16, где каталитическая поверхность содержит по меньшей мере одну поверхность, имеющую грань (110).17. The system according to any one of paragraphs. 14-16, where the catalytic surface includes at least one surface having an edge (110).

18. Система по любому из пп. 14-17, где указанная электролитическая ячейка дополнительно содержит один или более электролитических растворов.18. The system according to any one of paragraphs. 14-17, wherein said electrolytic cell further contains one or more electrolytic solutions.

19. Система по п. 18, где электролитический раствор представляет собой кислый водный раствор.19. The system according to claim 18, where the electrolytic solution is an acidic aqueous solution.

Изобретение будет далее проиллюстрировано следующими неограничивающими примерами, дополнительно описывающими конкретные преимущества и варианты осуществления настоящего изобретения.The invention will be further illustrated by the following non-limiting examples, which further describe specific advantages and embodiments of the present invention.

Пример 1Example 1

Поправка на энергию нулевой точки и разность энтропии между адсорбированными частицами и молекулой газа рассчитывают для всех промежуточных соединений в реакции в гармоническом приближении. Эти значения приведены в таблице 1.The zero-point energy correction and the entropy difference between the adsorbed species and the gas molecule are calculated for all intermediates in the reaction in the harmonic approximation. These values are shown in Table 1.

Таблица 1. Энергия нулевой точки (ZPE) и энтропийные вклады в свободную энергию газовой фазы и адсорбированных молекул при 300 К для оксидов рутила (в эВ).Table 1. Zero point energy (ZPE) and entropy contributions to the free energy of the gas phase and adsorbed molecules at 300 K for rutile oxides (in eV).

Рутилы (110)
восстановленная поверхность
Rutiles (110)
restored surface
МПMP ZPEZPE
NH3 NH 3 0,740.74 0,890.89 H2 H 2 0,410.41 0,270.27 N2 N 2 0,600.60 0,150.15 *H*H 0,010.01 0,190.19 *NNH*NNH 0,150.15 0,480.48 *NHNH*NHNH 0,120.12 0,810.81 *NNH2 *NNH 2 0,100.10 0,860.86 *NHNH2 *NHNH 2 0,120.12 1,181.18 *NH2NH2 *NH 2 NH 2 0,150.15 1,481.48 *NHNH3 *NHNH 3 0,150.15 1,471.47 *N*N 0,020.02 0,110.11 *NH*NH 0,050.05 0,360.36 *NH2 *NH 2 0,070.07 0,700.70 *NH3 *NH 3 0,160.16 1,001.00 Рутилы (110)
O-модифицированная/H-модифицированная поверхности
Rutiles (110)
O-modified/H-modified surfaces
МПMP ZPEZPE
*H*H 0,010.01 0,190.19 *NNH*NNH 0,090.09 0,520.52 *NHNH*NHNH 0,100.10 0,820.82 *NNH2 *NNH 2 0,110.11 0,820.82 *NHNH2 *NHNH 2 0,140.14 1,151.15 *NH2NH2 *NH 2 NH 2 0,170.17 1,521.52 *NHNH3 *NHNH 3 0,170.17 1,491.49 *N*N 0,060.06 0,080.08 *NH*NH 0,070.07 0,370.37 *NH2 *NH 2 0,110.11 0,660.66 *NH3 *NH 3 0,150.15 1,021.02

Значения для молекул газовой фазы взяты из Weast (Handbook of Chemistry and Physics, 49th edn., p. D109, The Chemical Rubber Company, Cleveland 1968-1969) и Atkins (Physical Chemistry, Oxford University Press, 6th edn., 1998), и значения для адсорбированных молекул получены из расчетов DFT (теории функционала плотности) колебательных нормальных мод.Values for gas phase molecules are taken from Weast (Handbook of Chemistry and Physics, 49th edn., p. D109, The Chemical Rubber Company, Cleveland 1968-1969) and Atkins (Physical Chemistry, Oxford University Press, 6th edn., 1998), and values for adsorbed molecules are obtained from DFT (density functional theory) calculations of vibrational normal modes.

Пример 2Example 2

ВведениеIntroduction

Были испытаны различные электролиты и электродные материалы для того, чтобы смягчить термодинамические требования и оптимизировать скорость образования аммиака с использованием гетерогенного катализа. (Amar 2011; Denvir 2008 (US7314544 B2); Ouzoounidou 2007; Pappenfus 2009; Amar 2011; Song 2004). Электролитические ячейки на основе твердых электролитов и полимерных электролитических мембран (ПЭМ) были предметом многих из этих исследований, поскольку они упрощают разделение подаваемого газообразного водорода и получаемого аммиака. Самая высокая скорость образования аммиака, полученная с мембраной Nafion (Нафион), составляет 1,13×10-8 моль с-1 см-2 с фарадеевской эффективностью, равной приблизительно 90 %, где в качестве подаваемого газа использовали влажный H2. (Xu 2009) Использование воздуха и воды в качестве подаваемых газов является интересной возможностью, однако, самая высокая скорость образования аммиака, достигнутая таким образом, была намного ниже, 1,14×10-9 моль с-1 см-2. (Lan 2013) Получали только 1 % CE, что требовало перенапряжения минус 1,6 В. Несмотря на то, что эти результаты являются многообещающими, они все еще далеки от скоростей получения, близких к коммерчески рентабельным (4,3-8,7×10-7 моль с-1 см-2). (Giddey, Badwal, 2013)Various electrolytes and electrode materials have been tested in order to relax the thermodynamic requirements and optimize the rate of ammonia formation using heterogeneous catalysis. (Amar 2011; Denvir 2008 (US7314544 B2); Ouzounidou 2007; Pappenfus 2009; Amar 2011; Song 2004). Electrolytic cells based on solid electrolytes and polymer electrolytic membranes (PEMs) have been the subject of many of these studies because they facilitate the separation of the hydrogen gas feed and the ammonia product. The highest ammonia production rate obtained with a Nafion membrane was 1.13 x 10 -8 mol s -1 cm -2 with a Faraday efficiency of approximately 90% using wet H 2 as the feed gas. (Xu 2009) Using air and water as feed gases is an interesting possibility, however, the highest ammonia production rate achieved in this way was much lower, 1.14×10 -9 mol s -1 cm -2 . (Lan 2013) Only 1% CE was obtained, which required an overvoltage of minus 1.6 V. While these results are promising, they are still far from production rates close to commercially viable (4.3-8.7× 10 -7 mol s -1 cm -2 ). (Giddey, Badwal, 2013)

До сих пор экспериментаторы продолжают поиски нового пути синтеза аммиака. Однако в последнее время предметом теоретических исследований стало электрокаталитическое восстановление N2, где с помощью расчетов согласно теории функционала плотности (DFT) предложены материалы, способствующие восстановлению N2 и подавляющие выделение водорода. (Skúlason 2012, Abghoui 2015 enabling, 2016 ACS Catalysis, 2016 Catalysis Today, 2016 Catalysis Today, 2017 Phys. Chem. C, J Howalt 2013, J Howalt 2014, Hargreaves 2014, Zelinapour-Yazdi 2016) Применение вычислительных методов позволяет сканировать большие группы потенциальных катализаторов без необходимости их производства в лаборатории, что позволяет сэкономить время и деньги. В 2012 году Skúlason et al. провели детальный DFT-анализ каталитической активности как плоских, так и ступенчатых поверхностей из чистого переходного металла, в котором они определили тренды (динамику изменения) и рассчитали профиль свободной энергии для восстановления азота. Так называемые графики в форме вулканов полезны при оценке трендов каталитической реакционной способности, и Skúlason et al. обнаружили, что ранние переходные металлы были более активны в отношении восстановления N2, чем более поздние переходные металлы, а также были менее склонны к выделению водорода. (Skúlason 2012) Abghoui et al. провели аналогичное исследование на мононитридах переходных металлов и обнаружили, что нитриды ранних переходных металлов являются многообещающими кандидатами для восстановления N2, причем, предсказали, что ZrN и VN будут образовывать аммиак при потенциалах минус 0,76 В и минус 0,51 В по сравнению с СВЭ (стандартным водородным электродом), соответственно. (2015 PCCP, 2015 Proceedia computer science, 2016 ACS Catalysis). Позже они также предположили, что NbN и CrN могут вести себя одинаково. (Abghoui Skulason, 2017, MVK). Дальнейшие исследования дали многообещающие результаты, в которых, как сообщалось, грани (110) сфалеритовой структуры RuN катализировали образование аммиака при очень малом начальном потенциале, равном приблизительно минус 0,23 В по сравнению с СВЭ. (Abghoui 2017) Сравнение механизма Марса-ван Кревелена (MvK) с традиционными ассоциативными и диссоциативными механизмами показало, что MvK должен быть более благоприятным механизмом реакции на поверхности этих нитридов. (Abghoui and Skulason, 2017)Until now, experimenters continue to search for a new way to synthesize ammonia. However, electrocatalytic N2 reduction has recently become the subject of theoretical research, where materials that promote N2 reduction and suppress hydrogen evolution have been proposed using density functional theory (DFT) calculations. (Skúlason 2012, Abghoui 2015 enabling, 2016 ACS Catalysis, 2016 Catalysis Today, 2016 Catalysis Today, 2017 Phys. Chem. C, J Howalt 2013, J Howalt 2014, Hargreaves 2014, Zelinapour-Yazdi 2016) The use of computational methods makes it possible to scan large groups potential catalysts without the need to produce them in a laboratory, saving time and money. In 2012, Skúlason et al. performed a detailed DFT analysis of the catalytic activity of both planar and stepped pure transition metal surfaces, in which they identified trends and calculated the free energy profile for nitrogen reduction. So-called volcano plots are useful in assessing trends in catalytic reactivity, and Skúlason et al. found that early transition metals were more active in reducing N 2 than later transition metals and were also less prone to hydrogen evolution. (Skúlason 2012) Abghoui et al. conducted a similar study on transition metal mononitrides and found that early transition metal nitrides were promising candidates for N2 reduction, predicting that ZrN and VN would form ammonia at potentials of minus 0.76 V and minus 0.51 V compared to SHE (standard hydrogen electrode), respectively. (2015 PCCP, 2015 Proceedia computer science, 2016 ACS Catalysis). Later they also suggested that NbN and CrN might behave similarly. (Abghoui Skulason, 2017, MVK). Further studies yielded promising results in which the (110) facets of the RuN sphalerite structure were reported to catalyze the formation of ammonia at a very low initial potential of approximately minus 0.23 V compared to SHE. (Abghoui 2017) Comparison of the Mars-van Krevelen (MvK) mechanism with traditional associative and dissociative mechanisms indicated that MvK should be a more favorable reaction mechanism at the surface of these nitrides. (Abghoui and Skulason, 2017)

В настоящем исследовании оксиды переходных металлов в структуре рутила исследуют в качестве возможных кандидатов для катализа электрохимического образования аммиака при условиях окружающей среды. Расчеты DFT использовали для построения диаграммы стабильности для каждого оксида металла, где стабильность грани (110), покрытой различными адсорбированными частицами, рассчитывали как функцию потенциала и определяли наиболее стабильную грань для каждого потенциала. Далее авторы изучили термодинамику катодной реакции и построили диаграммы свободной энергии для электрохимического протонирования адсорбированных соединений азота. Энергетический баланс между адсорбцией протонов и соединений N2H исследовали для всех потенциальных катализаторов для того, чтобы увидеть тенденцию к восстановлению N2 по сравнению с конкурирующей реакцией выделения водорода (HER). Затем авторы оценили начальные потенциалы, необходимые для образования аммиака на поверхности этих оксидов. Влияние внешнего потенциала учитывали с помощью расчетного стандартного водородного электрода (СВЭ) (Norskov, Jonsson 2004), и для каждого оксида металла оценивали самый низкий начальный потенциал, необходимый для восстановления N2 до аммиака. Наконец, получали диаграмму в форме вулкана, на которой показана каталитическая активность различных оксидов с использованием энергии связи N2H в качестве общего показателя (Rossmeisl 2007, Skúlason 2012).In the present study, transition metal oxides in the rutile structure are investigated as possible candidates for catalyzing the electrochemical formation of ammonia under ambient conditions. DFT calculations were used to construct a stability diagram for each metal oxide, where the stability of the (110) facet covered with various adsorbed species was calculated as a function of potential and the most stable facet was determined for each potential. The authors further studied the thermodynamics of the cathodic reaction and constructed free energy diagrams for the electrochemical protonation of adsorbed nitrogen compounds. The energy balance between the adsorption of protons and N 2 H species was examined for all potential catalysts to see the tendency for N 2 reduction compared to the competing hydrogen evolution reaction (HER). The authors then estimated the initial potentials required for ammonia formation on the surface of these oxides. The influence of external potential was taken into account using a standard hydrogen electrode (SHE) calculation (Norskov, Jonsson 2004), and for each metal oxide the lowest initial potential required to reduce N2 to ammonia was estimated. Finally, a volcano-shaped diagram was obtained showing the catalytic activity of the various oxides using the N 2 H binding energy as an overall indicator (Rossmeisl 2007, Skúlason 2012).

МетодикаMethodology

Расчеты DFT: в настоящем исследовании грань (110) одиннадцати оксидов переходных металлов, естественным образом присутствующих в структуре рутила, рассматривали с акцентом на электрохимическое образование аммиака, поскольку поверхность (110) является наиболее стабильной из граней структуры рутила с малыми индексами. Оксиды, стабильные в структуре рутила в условиях окружающей среды, представляют собой следующие: TiO2, NbO2, TaO2, ReO2, IrO2, OsO2, CrO2, MnO2, RuO2, RhO2 и PtO2. (Harold Kung) Поверхности оксидов моделировали с помощью 48 атомов в четырех слоях, каждый из которых состоял из 4 атомов металла и 8 атомов кислорода. Два нижних слоя оставались неподвижными, тогда как два верхних слоя и адсорбированные частицы находились в релаксированном состоянии. Граничные условия являлись периодическими в направлениях x и y, и поверхности разделяли вакуумом 12 Å в направлении z. Оптимизацию структуры считали приближенной, когда силы в любом направлении на всех подвижных атомах составляли меньше 0,01 эВ/Å. Константы решетки RPBE оптимизировали для каждого оксида и учитывали спиновую поляризацию. Константы решетки RPBE, оптимизированные для оксидов в данном исследовании, представляют собой следующие: TiO2: a=4,65 Å, c=2,98 Å; NbO2: a=5,11 Å, c=3,00 Å; TaO2: a=4,98 Å, c=3,02 Å; ReO2: a=4,77 Å, c=3,14 Å; IrO2: a=4,58 Å, c=3,13 Å; OsO2: a=4,58 Å, c=3,18 Å; CrO2: a=4,50 Å, c=2,96 Å; MnO2: a=4,86 Å, c=2,85 Å; RuO2: a=4,58 Å, c=3,2 Å; RhO2: a=4,55 Å, c=3,06 Å и PtO2: a=4,65 Å, c=3,19 Å. DFT Calculations: In the present study, the (110) face of eleven transition metal oxides naturally present in the rutile structure was considered with an emphasis on the electrochemical formation of ammonia, since the (110) face is the most stable of the low-index facets of the rutile structure. The oxides that are stable in the rutile structure under ambient conditions are the following: TiO 2 , NbO 2 , TaO 2 , ReO 2 , IrO 2 , OsO 2 , CrO 2 , MnO 2 , RuO 2 , RhO 2 and PtO 2 . (Harold Kung) The oxide surfaces were modeled with 48 atoms in four layers, each of which consisted of 4 metal atoms and 8 oxygen atoms. The two lower layers remained stationary, while the upper two layers and the adsorbed particles were in a relaxed state. The boundary conditions were periodic in the x and y directions, and the surfaces were separated by a vacuum of 12 Å in the z direction. Structure optimization was considered approximate when the forces in any direction on all mobile atoms were less than 0.01 eV/Å. The RPBE lattice constants were optimized for each oxide and took spin polarization into account. The RPBE lattice constants optimized for the oxides in this study are as follows: TiO 2 : a=4.65 Å, c=2.98 Å; NbO 2 : a=5.11 Å, c=3.00 Å; TaO 2 : a=4.98 Å, c=3.02 Å; ReO 2 : a=4.77 Å, c=3.14 Å; IrO 2 : a=4.58 Å, c=3.13 Å; OsO 2 : a=4.58 Å, c=3.18 Å; CrO 2 : a=4.50 Å, c=2.96 Å; MnO 2 : a=4.86 Å, c=2.85 Å; RuO 2 : a=4.58 Å, c=3.2 Å; RhO 2 : a=4.55 Å, c=3.06 Å and PtO 2 : a=4.65 Å, c=3.19 Å.

Расчеты выполняли с помощью DFT с использованием обменного корреляционного функционала RPBE. Базис плоских волн с отсечкой энергии 350 эВ использовали для представления валентных электронов с PAW-представлением электронов внутренней оболочки, как это реализовано в коде VASP (VASP1-VASP4). Самосогласованную плотность электронов определяли итерационной диагонализацией гамильтониана Кона-Шэма, причем занятость состояний Кона-Шэма была размыта по распределению Ферми-Дирака с параметром размытия kBT=0,1 эВ. Для всех поверхностей использовали выборку k-точек 4×4×1, полученную с помощью схемы Монхорста-Пака, и для уменьшения числа k-точек в расчетах применяли максимальную симметрию.Calculations were performed using DFT using the RPBE exchange correlation functional. A plane wave basis with an energy cutoff of 350 eV was used to represent the valence electrons with a PAW representation of the inner shell electrons, as implemented in the VASP code (VASP1-VASP4). The self-consistent electron density was determined by iterative diagonalization of the Kohn-Sham Hamiltonian, and the occupancy of the Kohn-Sham states was smeared along the Fermi-Dirac distribution with the smearing parameter kBT = 0.1 eV. A 4 × 4 × 1 k-point sample obtained using the Monkhorst-Pack scheme was used for all surfaces, and maximum symmetry was used to reduce the number of k-points in the calculations.

Электрохимические реакции и моделирование: источником протонов в реакции может быть либо расщепление воды, либо реакция окисления H2 на аноде. Чтобы связать абсолютный потенциал с СВЭ, авторы в настоящем документе ссылаются на H2 только как на удобный источник протонов и электронов. Electrochemical reactions and modeling: The source of protons in the reaction can be either the splitting of water or the oxidation reaction of H 2 at the anode. To relate absolute potential to SHE, the authors herein refer to H2 only as a convenient source of protons and electrons.

где протоны сольватированы в электролите, и электроны переносятся на катод через проволоку. Общая реакция восстановления N2 представляет собой следующую:where protons are solvated in an electrolyte and electrons are transferred to the cathode through a wire. The general N2 reduction reaction is as follows:

Поверхность гидрирована путем добавления одного атома водорода за раз, представляющего собой протон из раствора и электрон с поверхности электрода. Изученный ассоциативный механизм реакции показан в уравнениях ниже, где звездочкой обозначен участок на поверхности:The surface is hydrogenated by adding one hydrogen atom at a time, representing a proton from the solution and an electron from the electrode surface. The studied associative reaction mechanism is shown in the equations below, where the asterisk indicates the area on the surface:

. .

Первая молекула аммиака образуется после добавления трех-пяти протонов в зависимости от предпочтительного пути реакции. Вторая молекула аммиака затем образуется после добавления шести протонов. Свободную энергию адсорбции N2H сравнивают с энергией адсорбции протонов, чтобы определить, является ли поверхность селективной в отношении образования аммиака или выделения водорода. The first ammonia molecule is formed after the addition of three to five protons, depending on the preferred reaction path. A second ammonia molecule is then formed after the addition of six protons. The free energy of N 2 H adsorption is compared with the adsorption energy of protons to determine whether the surface is selective for ammonia formation or hydrogen evolution.

В качестве первого приближения предполагают, что барьеры активации между устойчивыми минимумами являются низкими, или что они следуют соотношению Бренстеда-Эванса-Поляни и поэтому ими можно пренебрегать во время электрохимических реакций в контексте настоящего изобретения. Свободная энергия каждой элементарной стадии оценивают при pH = 0 и T = 298K согласно следующему:As a first approximation, it is assumed that the activation barriers between stable minima are low, or that they follow the Brønsted-Evans-Polyany relationship and can therefore be neglected during electrochemical reactions in the context of the present invention. The free energy of each elemental stage is estimated at pH = 0 and T = 298K according to the following:

где ΔE представляет собой энергию, рассчитанную с использованием DFT. ΔEZPE и ΔS представляют собой различия в энергии нулевой точки и энтропии, соответственно, между адсорбированными частицами и молекулами газовой фазы. Их рассчитывали в гармоническом приближении, и значения приведены в ESI. Эффект прикладываемого смещения U включен для всех стадий электрохимической реакции путем смещения свободной энергии для реакции с участием n электронов на минус neU, так что свободная энергия каждой элементарной стадии определяется как:where ΔE represents the energy calculated using DFT. ΔE ZPE and ΔS represent the differences in zero point energy and entropy, respectively, between adsorbed species and gas phase molecules. They were calculated in the harmonic approximation and the values are given in ESI. The effect of the applied bias U is included for all stages of an electrochemical reaction by shifting the free energy for a reaction involving n electrons by minus neU, so that the free energy of each elementary step is given by:

. .

Явное включение воды в моделирование значительно увеличило бы трудоемкость вычислений и поэтому не было включено в настоящее исследование. Известно, что присутствие воды стабилизирует некоторые частицы посредством образования водородных связей. Например, ожидается, что *NH2 будет несколько более стабильным вблизи воды, тогда как на *N водный слой не окажет воздействия. В предыдущих публикациях стабилизирующее действие воды оценивали как составляющее менее 0,1 эВ на водородную связь (Montoya 2015). Таким образом, авторы оценили, что включение водородной связи изменило бы начальные потенциалы, рассчитанные в данном исследовании, менее чем на 0,1 эВ, представляющее собой поправку, не включенную в настоящее исследование.Explicitly including water in the simulation would have significantly increased the computational effort and was therefore not included in the present study. The presence of water is known to stabilize some particles through the formation of hydrogen bonds. For example, *NH 2 is expected to be somewhat more stable near water, while *N is expected to be unaffected by the aqueous layer. Previous publications have estimated the stabilizing effect of water to be less than 0.1 eV per hydrogen bond (Montoya 2015). Thus, the authors estimated that the inclusion of hydrogen bonding would change the initial potentials calculated in this study by less than 0.1 eV, representing a correction not included in the present study.

Результаты и обсуждениеResults and discussion

Стабильность: поверхность рутила (110) содержит атомы металла двух разных координационных сред, см. ФИГ. 1. Ряды шестикратно координированных атомов металла чередуются с рядами пятикратно координированных атомов металла по направлению [001]. В то время как шестикратно координированные атомы металла имеют примерно такую же геометрию, что и основная масса, пятикратно координированные атомы металла имеют ненасыщенную связь, перпендикулярную поверхности. (Morgan 2007) Таким образом, имеют место два различных участка поверхности: координационно ненасыщенные участки (cus-участки) поверх пятикратно координированных атомов металла и мостиковые участки (br-участки) между двумя шестикратно координированными атомами металла. Согласно наблюдениям авторов br-участки обычно связывают адсорбаты сильнее, чем cus-участки, и каталитическая активность поверхности зависит от занятости br-участков. Поэтому для каждого оксида рутила проводили систематическое исследование различных покрытий кислорода и водорода на br-участках, и на диаграммах стабильности представлена относительная стабильность грани (110) с различными покрытиями, см. ФИГ. 2 в качестве примера (но все остальные показаны в ESI). На стехиометрической поверхности (110) br-участки заняты кислородом, в то время как cus-участки являются вакантными. Авторы называют стехиометрическую поверхность (110) поверхностью, модифицированной кислородом (O-модифицированная), см. ФИГ. 1c. Мостиковые атомы кислорода O-модифицированной поверхности недостаточно скоординированы и могут быть восстановлены с поверхности в условиях эксперимента и эксплуатации. Чтобы рассчитать свободную энергию восстановления O-модифицированной поверхности, авторы следовали методике, разработанной Nørskov et al., где восстановление поверхности происходит посредством обмена воды и протонов с электролитом: Stability: The rutile (110) surface contains metal atoms of two different coordination environments, see FIG. 1. Rows of sixfold coordinated metal atoms alternate with rows of fivefold coordinated metal atoms in the [001] direction. While sixfold coordinated metal atoms have approximately the same geometry as the bulk, fivefold coordinated metal atoms have an unsaturated bond perpendicular to the surface. (Morgan 2007) Thus, there are two distinct surface regions: coordinatively unsaturated sites (cus sites) on top of fivefold coordinated metal atoms and bridging sites (br sites) between two sixfold coordinated metal atoms. According to the authors' observations, br sites usually bind adsorbates more strongly than cus sites, and the catalytic activity of the surface depends on the occupancy of br sites. Therefore, for each rutile oxide, a systematic study of different oxygen and hydrogen coatings on the br-sites was carried out, and the stability diagrams show the relative stability of the (110) face with different coatings, see FIG. 2 as an example (but all others are shown in ESI). On the stoichiometric (110) surface, the br sites are occupied by oxygen, while the cus sites are vacant. We refer to the stoichiometric (110) surface as an oxygen-modified (O-modified) surface, see FIG. 1c. The bridging oxygen atoms of the O-modified surface are not sufficiently coordinated and can be recovered from the surface under experimental and operational conditions. To calculate the free energy of reduction of an O-modified surface, the authors followed the methodology developed by Nørskov et al., where surface reduction occurs through the exchange of water and protons with the electrolyte:

, ,

оставляя br-участки вакантными. Авторы называют эту поверхность восстановленной, см. ФИГ. 1a. Эти вакантные br-участки могут затем быть дополнительно протонированы:leaving br-sites vacant. The authors call this surface restored, see FIG. 1a. These vacant br sites can then be further protonated:

. .

Авторы называют эту поверхность поверхностью, модифицированной водородом (H-модифицированная), см. ФИГ. 1b. Авторы также рассматривали конфигурацию поверхности, где половина br-участков покрыта либо водородом, либо кислородом, и половина сайтов вакантна. Эти поверхности называются поверхностями 0,25 монослоя (ML). We refer to this surface as a hydrogen-modified (H-modified) surface, see FIG. 1b. The authors also considered a surface configuration where half of the br sites are covered with either hydrogen or oxygen, and half of the sites are vacant. These surfaces are called 0.25 monolayer (ML) surfaces.

На ФИГ. 2 показан пример диаграммы стабильности, построенной для NbO2. Ось x представляет свободную энергию восстановленной поверхности, которая используется в качестве эталона, к которой нормированы другие поверхности. Из диаграммы стабильности на ФИГ. 2 видно, что при потенциалах ниже минус 0,5 В относительно СВЭ термодинамически выгодно восстанавливать мостиковые атомы кислорода на NbO2 до H2O и далее протонировать br-участки до покрытия 0,5 ML H. Диаграммы стабильности для других металлов показаны на ФИГ. 3-12. Для всех оксидов покрытия 0,25 ML H или O не являются предпочтительными при любом соответствующем потенциале и поэтому были исключены из всех дальнейших расчетов. Следует отметить, что этот анализ основан на термодинамике и не включает энергии активации. In FIG. Figure 2 shows an example of a stability diagram constructed for NbO 2 . The x-axis represents the free energy of the reconstructed surface, which is used as a reference to which other surfaces are normalized. From the stability chart in FIG. 2 it can be seen that at potentials below minus 0.5 V relative to the SHE, it is thermodynamically advantageous to reduce the bridging oxygen atoms on NbO 2 to H 2 O and then protonate the br sites to a coverage of 0.5 ML H. Stability diagrams for other metals are shown in FIG. 3-12. For all oxide coatings, 0.25 ML H or O are not preferred at any relevant potential and were therefore excluded from all further calculations. It should be noted that this analysis is based on thermodynamics and does not include activation energies.

Каталитическая активность: каталитическую активность всех оксидов рутила в отношении электрохимического образования аммиака рассчитывали с использованием DFT. Для каждого рутила профиль свободной энергии рассчитывали для трех различных поверхностей: восстановленной, H-модифицированной и O-модифицированной поверхностей. Свободную энергию каждого промежуточного соединения находили по уравнению (10), относящемуся к N2 и H2 в газовой фазе. Как видно из диаграмм стабильности, поверхности 0,25 ML не являются предпочтительными в каком-либо значимом диапазоне потенциалов и поэтому были исключены из всех дальнейших расчетов.Catalytic activity: The catalytic activity of all rutile oxides towards electrochemical ammonia formation was calculated using DFT. For each rutile, the free energy profile was calculated for three different surfaces: reduced, H-modified, and O-modified surfaces. The free energy of each intermediate was found using equation (10) relating to N 2 and H 2 in the gas phase. As can be seen from the stability diagrams, the 0.25 ML surfaces are not favored over any significant potential range and were therefore excluded from all further calculations.

На ФИГ. 13 показан профиль свободной энергии образования аммиака на NbO2, где определена соответствующая стадия определения потенциала (PDS) для каждой поверхности, то есть, стадия с наибольшим изменением свободной энергии, которое определяет начальный потенциал, необходимый для того, чтобы все стадии реакции имели снижающуюся свободную энергию. Авторы определяют эту стадию как меру активности оксида по отношению к образованию аммиака. Диаграммы свободной энергии для других оксидов рутила представлены на ФИГ. 14-23. На ФИГ. 13 видно, что изменение свободной энергии PDS, прогнозируемое для образования аммиака на O-модифицированной и на восстановленной поверхности, составляет минус 0,53 эВ и минус 2,01 эВ, соответственно.In FIG. 13 shows the free energy profile of ammonia formation on NbO 2 , where the corresponding potential determination step (PDS) for each surface is determined, that is, the step with the largest free energy change, which determines the initial potential required for all reaction steps to have a decreasing free energy. energy. The authors define this stage as a measure of the activity of the oxide towards the formation of ammonia. Free energy diagrams for other rutile oxides are presented in FIG. 14-23. In FIG. Figure 13 shows that the PDS free energy change predicted for ammonia formation on the O-modified and reduced surfaces is −0.53 eV and −2.01 eV, respectively.

С учетом диаграммы стабильности, представленной на ФИГ. 2 для NbO2, предпочтительная поверхность с начальным потенциалом, необходимым для образования аммиака, для обоих случаев представляет собой H-модифицированную поверхность. Это исключает возможность образования аммиака на O-модифицированной и восстановленной поверхности для NbO2. Аналогичный анализ был проведен для всех оксидов, и результаты представлены на ФИГ. 24. Для всех оксидов рутила требуемый приложенный потенциал находится в диапазоне потенциалов, где предпочтительной является H-модифицированная поверхность, и, по-видимому, исключает возможность образования аммиака на поверхности, модифицированной кислородом, и восстановленной поверхности. Изменение свободной энергии PDS для модифицированных водородом поверхностей IrO2, NbO2, OsO2, ReO2, RuO2, TaO2, PtO2, RhO2, CrO2, TiO2 и MnO2 составляет 0,36 эВ, 0,57 эВ, 0,60 эВ, 1,07 эВ, 1,14 эВ, 1,21 эВ, 1,29 эВ, 1,61 эВ, 2,04 эВ, 2,07 эВ и 2,35 эВ, соответственно. Три из этих поверхностей, IrO2, NbO2 и OsO2, имеют необходимое перенапряжение схожее или более низкое, чем перенапряжение, необходимое для восстановления азота нитрогеназой, но считается, что оно составляет приблизительно 0,63 В. Диаграммы свободной энергии, показывающие все возможные промежуточные соединения для H-модифицированной поверхности всех кандидатов, показаны на ФИГ. 25-35.Considering the stability diagram shown in FIG. 2 for NbO 2 , the preferred surface with the initial potential required for ammonia formation is, for both cases, an H-modified surface. This eliminates the possibility of ammonia formation on the O-modified and reduced NbO 2 surface. A similar analysis was performed for all oxides and the results are presented in FIG. 24. For all rutile oxides, the required applied potential is in the potential range where the H-modified surface is preferred and appears to eliminate the possibility of ammonia formation on the oxygen-modified and reduced surfaces. The PDS free energy change for hydrogen-modified IrO 2 , NbO 2 , OsO 2 , ReO 2 , RuO 2 , TaO 2 , PtO 2 , RhO 2 , CrO 2 , TiO 2 and MnO 2 surfaces is 0.36 eV, 0.57 eV , 0.60 eV, 1.07 eV, 1.14 eV, 1.21 eV, 1.29 eV, 1.61 eV, 2.04 eV, 2.07 eV and 2.35 eV, respectively. Three of these surfaces, IrO 2 , NbO 2 and OsO 2 , have a required overvoltage similar to or lower than that required for nitrogen reduction by nitrogenase, but is thought to be approximately 0.63 V. Free energy diagrams showing all possible intermediates for the H-modified surface of all candidates are shown in FIG. 25-35.

Масштабные соотношения и диаграмма в форме вулкана: с использованием масштабных соотношений между энергиями связи различных промежуточных соединений механизма восстановления N2 был построен график в форме вулкана, как показано на ФИГ. 36. На этом графике показаны только три из шести стадий электрохимической реакции механизма образования аммиака. Три стадии, которые не включены, имеют точку пересечения с осью y выше нуля и, следовательно, не влияют на выводы, сделанные на основании графика. Scale Relationships and Volcano Plot: Using the scale relationships between the binding energies of the various N 2 reduction mechanism intermediates, a volcano plot was constructed as shown in FIG. 36. This graph shows only three of the six electrochemical reaction steps in the ammonia formation mechanism. The three stages that are not included have a y-intercept greater than zero and therefore do not influence the conclusions drawn from the graph.

Масштабные соотношения, использованные для вычисления линий на ФИГ. 36-37, показаны на ФИГ. 38-43, и график, демонстрирующий все стадии реакции механизма образования аммиака, показан на ФИГ. 37.The scaling relationships used to calculate the lines in FIG. 36-37 are shown in FIG. 38-43, and a graph showing all reaction steps of the ammonia generation mechanism is shown in FIG. 37.

Подобные диаграммы были ранее построены для чистых переходных металлов, где использовали энергию связи N с поверхностью, а не энергию связи N2H. (Skulason 2012, Montoya 2015) Similar diagrams were previously constructed for pure transition metals, where the binding energy of N to the surface was used, rather than the binding energy of N 2 H. (Skulason 2012, Montoya 2015)

Энергия связи *N является эндотермической для всех кандидатов в данном исследовании (за исключением ReO2 и TaO2), и поэтому диссоциация N2 будет эндотермической, а также будет иметь высокую энергию активации. Однако энергия связи *N на ReO2 и TaO2 составляет приблизительно минус 1 эВ, и поэтому диссоциация N2 на этих кандидатах может иметь низкий барьер, поскольку в этом случае энергия реакции составляет приблизительно минус 2 эВ. Однако включение пути диссоциации не изменит приведенных PDS ни для одного из кандидатов, поскольку *NH2 → NH3 представляет собой PDS на левой «ноге» вулкана, где расположены ReO2 и TaO2 Стадии реакции *N → *NH и *NH → *NH2 также включены в предложенные авторами пути, и эти стадии никогда не становятся PDS (см. ФИГ. 43).The *N binding energy is endothermic for all candidates in this study (except for ReO 2 and TaO 2 ), and therefore the dissociation of N 2 will be endothermic and also have a high activation energy. However, the binding energy of *N on ReO 2 and TaO 2 is approximately minus 1 eV, and therefore the dissociation of N 2 on these candidates may have a low barrier since the reaction energy in this case is approximately minus 2 eV. However, including the dissociation pathway will not change the reported PDS for either candidate because *NH 2 → NH 3 is the PDS on the left "leg" of the volcano where ReO 2 and TaO 2 are located. Reaction steps *N → *NH and *NH → * NH 2 is also included in the authors' proposed pathways, and these steps never become PDS (see FIG. 43).

Первое протонирование: до этого момента авторы не рассматривали конкурирующие реакции, такие как реакция выделения водорода. В качестве первой стадии в направлении включения конкурирующих реакций авторы рассчитали свободную энергию первой стадии реакции образования аммиака, которая включает адсорбцию N2H, и сравнили ее со свободной энергией адсорбции водорода на поверхности. Атому водорода позволили найти наиболее благоприятный участок связывания на поверхности. Это было сделано только для H-модифицированных поверхностей, так как поверхности, модифицированные иным образом, уже исключены из-за нестабильности в условиях эксплуатации. Результаты этого анализа приведены на ФИГ. 6. По-видимому, два оксида ReO2 и TaO2 способствуют адсорбции N2H по сравнению с протоном и, следовательно, являются перспективными для электрохимического образования аммиака с более высокими выходами. NbO2 связывает N2H и H с одинаковой силой, поэтому ожидается, что оба соединения будут находиться на этой поверхности, и, следовательно, на NbO2 можно ожидать образования как аммиака, так и газообразного водорода. IrO2 в высокой степени благоприятствует адсорбции протонов по сравнению NNH, что вызывает сожаление, поскольку IrO2 в действительности обладает самым низким прогнозируемым начальным потенциалом из одиннадцати оксидов, рассмотренных в данном исследовании. ReO2 и TaO2, однако, могут быть активными и селективными для электровосстановления N2, но с немного большим перенапряжением.First protonation: Up to this point, the authors have not considered competing reactions, such as the hydrogen evolution reaction. As a first step toward incorporating competing reactions, the authors calculated the free energy of the first step of the ammonia formation reaction, which involves the adsorption of N 2 H, and compared it with the free energy of hydrogen adsorption on a surface. The hydrogen atom was allowed to find the most favorable binding site on the surface. This was done only for H-modified surfaces, since otherwise modified surfaces were already excluded due to instability under service conditions. The results of this analysis are shown in FIG. 6. Apparently, the two oxides ReO 2 and TaO 2 promote the adsorption of N 2 H over proton and are therefore promising for the electrochemical formation of ammonia with higher yields. NbO 2 binds N 2 H and H with equal strength, so both compounds are expected to be present at this surface, and therefore both ammonia and hydrogen gas can be expected to form on NbO 2 . IrO 2 highly favors proton adsorption compared to NNH, which is unfortunate since IrO 2 actually has the lowest predicted onset potential of the eleven oxides examined in this study. ReO 2 and TaO 2 , however, can be active and selective for N 2 electroreduction, but with a slightly higher overpotential.

Вывод Conclusion

Расчеты DFT использовали для изучения возможности активации азота для электрохимического получения аммиака в условиях окружающей среды на грани (110) рутиловой структуры NbO2, RuO2, RhO2, TaO2, ReO2, TiO2, OsO2, MnO2, CrO2, IrO2 и PtO2. Относительную стабильность граней с различными адсорбатами рассчитывали в зависимости от приложенного потенциала. Исследовали каталитическую активность каждой поверхности и обнаружили стадию, определяющую потенциал. При приложенном потенциале, необходимом для того, чтобы все электрохимические стадии имели снижающуюся свободную энергию, все оксиды оказались наиболее стабильными с адсорбированным на участках водородом. Из этих оксидов ReO2 и TaO2 способствуют адсорбции N2H.DFT calculations were used to study the possibility of nitrogen activation for electrochemical production of ammonia under ambient conditions on the (110) face of the rutile structure NbO 2 , RuO 2 , RhO 2 , TaO 2 , ReO 2 , TiO 2 , OsO 2 , MnO 2 , CrO 2 , IrO 2 and PtO 2 . The relative stability of the faces with different adsorbates was calculated as a function of the applied potential. The catalytic activity of each surface was studied and the stage that determines the potential was discovered. At the applied potential required for all electrochemical steps to have decreasing free energy, all oxides were found to be the most stable with hydrogen adsorbed at the sites. Of these oxides, ReO 2 and TaO 2 promote the adsorption of N 2 H.

Цитируемые источники:Sources cited:

1. Giddey, S.; Badwal, S. P. S.; Kulkarni, A., Review of electrochemical ammonia production technologies and materials. Int J Hydrogen Energ 2013, 38 (34), 14576-14594.1. Giddey, S.; Badwal, S. P. S.; Kulkarni, A., Review of electrochemical ammonia production technologies and materials. Int J Hydrogen Energ 2013, 38(34), 14576-14594.

2. Amar, I. A.; Lan, R.; Petit, C. T. G.; Tao, S. W., Solid-state electrochemical synthesis of ammonia: a review. J Solid State Electr 2011, 15 (9), 1845-1860.2. Amar, I. A.; Lan, R.; Petit, C. T. G.; Tao, S. W., Solid-state electrochemical synthesis of ammonia: a review. J Solid State Electr 2011, 15(9), 1845-1860.

3. Smil, V., Detonator of the population explosion. Nature 1999, 400 (6743), 415-415.3. Smil, V., Detonator of the population explosion. Nature 1999, 400 (6743), 415-415.

4. Klerke, A.; Christensen, C. H.; Norskov, J. K.; Vegge, T., Ammonia for hydrogen storage: challenges and opportunities. J Mater Chem 2008, 18 (20), 2304-2310.4. Klerke, A.; Christensen, C. H.; Norskov, J. K.; Vegge, T., Ammonia for hydrogen storage: challenges and opportunities. J Mater Chem 2008, 18(20), 2304-2310.

5. Smil, V., Global population and the nitrogen cycle. Sci Am 1997, 277 (1), 76-81.5. Smil, V., Global population and the nitrogen cycle. Sci Am 1997, 277(1), 76-81.

6. Jennings, J. R., Catalytic ammonia synthesis : fundamentals and practice. Plenum Press: New York, 1991.6. Jennings, J. R., Catalytic ammonia synthesis: fundamentals and practice. Plenum Press: New York, 1991.

7. Burgess, B. K.; Lowe, D. J., Mechanism of molybdenum nitrogenase. Chem Rev 1996, 96 (7), 2983-3011.7. Burgess, B. K.; Lowe, D. J., Mechanism of molybdenum nitrogenase. Chem Rev 1996, 96(7), 2983-3011.

8. Berg, J. M.; Tymoczko, J. L.; Stryer, L., Biochemistry. 5th ed.; W.H. Freeman: New York, 2002.8. Berg, J. M.; Tymoczko, J. L.; Stryer, L., Biochemistry. 5th ed.; W.H. Freeman: New York, 2002.

9. Shipman, M. A.; Symes, M. D., Recent progress towards the electrosynthesis of ammonia from sustainable resources. Catal Today 2017, 286, 57-68.9. Shipman, M. A.; Symes, M. D., Recent progress towards the electrosynthesis of ammonia from sustainable resources. Catal Today 2017, 286, 57-68.

10. Becker, J. Y.; Posin, B., Nitrogen-Fixation .2. Nitrogen Reduction by Electrochemically Generated Vanadium(II) Promoted by Various Organic-Ligands in Basic Methanol. J Electroanal Chem 1988, 250 (2), 385-397.10. Becker, J. Y.; Posin, B., Nitrogen-Fixation .2. Nitrogen Reduction by Electrochemically Generated Vanadium(II) Promoted by Various Organic-Ligands in Basic Methanol. J Electroanal Chem 1988, 250(2), 385-397.

11. Becker, J. Y.; Avraham, S., Nitrogen-Fixation .3. Electrochemical Reduction of Hydrazido (-NNH2) Mo and W-Complexes - Selective Formation of NH3 under Mild Conditions. J Electroanal Chem 1990, 280 (1), 119-127.11. Becker, J. Y.; Avraham, S., Nitrogen-Fixation .3. Electrochemical Reduction of Hydrazido (-NNH2) Mo and W-Complexes - Selective Formation of NH3 under Mild Conditions. J Electroanal Chem 1990, 280(1), 119-127.

12. Pickett, C. J.; Talarmin, J., Electrosynthesis of Ammonia. Nature 1985, 317 (6038), 652-653.12. Pickett, C. J.; Talarmin, J., Electrosynthesis of Ammonia. Nature 1985, 317 (6038), 652-653.

13. Sclafani, A.; Augugliaro, V.; Schiavello, M., Dinitrogen Electrochemical Reduction to Ammonia over Iron Cathode in Aqueous-Medium. J Electrochem Soc 1983, 130 (3), 734-735.13. Sclafani, A.; Augugliaro, V.; Schiavello, M., Dinitrogen Electrochemical Reduction to Ammonia over Iron Cathode in Aqueous-Medium. J Electrochem Soc 1983, 130(3), 734-735.

14. Yandulov, D. V.; Schrock, R. R., Catalytic reduction of dinitrogen to ammonia at a single molybdenum center. Science 2003, 301 (5629), 76-78.14. Yandulov, D. V.; Schrock, R. R., Catalytic reduction of dinitrogen to ammonia at a single molybdenum center. Science 2003, 301 (5629), 76-78.

15. Furuya, N.; Yoshiba, H., Electroreduction of Nitrogen to Ammonia on Gas-Diffusion Electrodes Loaded with Inorganic Catalyst. J Electroanal Chem 1990, 291 (1-2), 269-272.15. Furuya, N.; Yoshiba, H., Electroreduction of Nitrogen to Ammonia on Gas-Diffusion Electrodes Loaded with Inorganic Catalyst. J Electroanal Chem 1990, 291(1-2), 269-272.

16. Marnellos, G.; Stoukides, M., Ammonia synthesis at atmospheric pressure. Science 1998, 282 (5386), 98-100.16. Marnellos, G.; Stoukides, M., Ammonia synthesis at atmospheric pressure. Science 1998, 282 (5386), 98-100.

17. Marnellos, G.; Zisekas, S.; Stoukides, M., Synthesis of ammonia at atmospheric pressure with the use of solid state proton conductors. J Catal 2000, 193 (1), 80-87.17. Marnellos, G.; Zisekas, S.; Stoukides, M., Synthesis of ammonia at atmospheric pressure with the use of solid state proton conductors. J Catal 2000, 193(1), 80-87.

18. Murakami, T.; Nishikiori, T.; Nohira, T.; Ito, Y., Electrolytic synthesis of ammonia in molten salts under atmospheric pressure. J Am Chem Soc 2003, 125 (2), 334-335.18. Murakami, T.; Nishikiori, T.; Nohira, T.; Ito, Y., Electrolytic synthesis of ammonia in molten salts under atmospheric pressure. J Am Chem Soc 2003, 125(2), 334-335.

19. Murakami, T.; Nohira, T.; Goto, T.; Ogata, Y. H.; Ito, Y., Electrolytic ammonia synthesis from water and nitrogen gas in molten salt under atmospheric pressure. Electrochim Acta 2005, 50 (27), 5423-5426.19. Murakami, T.; Nohira, T.; Goto, T.; Ogata, Y. H.; Ito, Y., Electrolytic ammonia synthesis from water and nitrogen gas in molten salt under atmospheric pressure. Electrochim Acta 2005, 50(27), 5423-5426.

20. Murakami, T.; Nohira, T.; Araki, Y.; Goto, T.; Hagiwara, R.; Ogata, Y. H., Electrolytic synthesis of ammonia from water and nitrogen under atmospheric pressure using a boron-doped diamond electrode as a nonconsumable anode. Electrochem Solid St 2007, 10 (4), E4-E6.20. Murakami, T.; Nohira, T.; Araki, Y.; Goto, T.; Hagiwara, R.; Ogata, Y. H., Electrolytic synthesis of ammonia from water and nitrogen under atmospheric pressure using a boron-doped diamond electrode as a nonconsumable anode. Electrochem Solid St 2007, 10(4), E4-E6.

21. Chatt, J.; Pearman, A. J.; Richards, R. L., Reduction of Mono-Coordinated Molecular Nitrogen to Ammonia in a Protic Environment. Nature 1975, 253 (5486), 39-40.21. Chatt, J.; Pearman, A. J.; Richards, R. L., Reduction of Mono-Coordinated Molecular Nitrogen to Ammonia in a Protic Environment. Nature 1975, 253 (5486), 39-40.

22. Pool, J. A.; Lobkovsky, E.; Chirik, P. J., Hydrogenation and cleavage of dinitrogen to ammonia with a zirconium complex. Nature 2004, 427 (6974), 527-530.22. Pool, J. A.; Lobkovsky, E.; Chirik, P. J., Hydrogenation and cleavage of dinitrogen to ammonia with a zirconium complex. Nature 2004, 427 (6974), 527-530.

23. Avenier, P.; Taoufik, M.; Lesage, A.; Solans-Monfort, X.; Baudouin, A.; de Mallmann, A.; Veyre, L.; Basset, J. M.; Eisenstein, O.; Emsley, L.; Quadrelli, E. A., Dinitrogen dissociation on an isolated surface tantalum atom. Science 2007, 317 (5841), 1056-1060.23. Avenier, P.; Taoufik, M.; Lesage, A.; Solans-Monfort, X.; Baudouin, A.; de Mallmann, A.; Veyre, L.; Basset, J. M.; Eisenstein, O.; Emsley, L.; Quadrelli, E. A., Dinitrogen dissociation on an isolated surface tantalum atom. Science 2007, 317 (5841), 1056-1060.

24. Amar, I. A.; Lan, R.; Petit, C. T. G.; Arrighi, V.; Tao, S. W., Electrochemical synthesis of ammonia based on a carbonate-oxide composite electrolyte. Solid State Ionics 2011, 182 (1), 133-138.24. Amar, I. A.; Lan, R.; Petit, C. T. G.; Arrighi, V.; Tao, S. W., Electrochemical synthesis of ammonia based on a carbonate-oxide composite electrolyte. Solid State Ionics 2011, 182(1), 133-138.

25. Murphy, O. J.; Denvir, A. J.; Teodorescu, S. G.; Uselton, K. B., Electrochemical synthesis of ammonia. Google Patents: 2008.25. Murphy, O. J.; Denvir, A. J.; Teodorescu, S. G.; Uselton, K. B., Electrochemical synthesis of ammonia. Google Patents: 2008.

26. Ouzounidou, M.; Skodra, A.; Kokkofitis, C.; Stoukides, M., Catalytic and electrocatalytic synthesis of NH3 in a H+ conducting cell by using an industrial Fe catalyst. Solid State Ionics 2007, 178 (1-2), 153-159.26. Ouzounidou, M.; Skodra, A.; Kokkofitis, C.; Stoukides, M., Catalytic and electrocatalytic synthesis of NH3 in a H+ conducting cell by using an industrial Fe catalyst. Solid State Ionics 2007, 178(1-2), 153-159.

27. Pappenfus, T. M.; Lee, K.-m.; Thoma, L. M.; Dukart, C. R., Wind to Ammonia: Electrochemical Processes in Room Temperature Ionic Liquids. ECS Transactions 2009, 16 (49), 89-93.27. Pappenfus, T. M.; Lee, K.-m.; Thoma, L. M.; Dukart, C. R., Wind to Ammonia: Electrochemical Processes in Room Temperature Ionic Liquids. ECS Transactions 2009, 16(49), 89-93.

28. Song, Z.; Cai, T. H.; Hanson, J. C.; Rodriguez, J. A.; Hrbek, J., Structure and reactivity of Ru nanoparticles supported on modified graphite surfaces: A study of the model catalysts for ammonia synthesis. J Am Chem Soc 2004, 126 (27), 8576-8584.28. Song, Z.; Cai, T. H.; Hanson, J. C.; Rodriguez, J. A.; Hrbek, J., Structure and reactivity of Ru nanoparticles supported on modified graphite surfaces: A study of the model catalysts for ammonia synthesis. J Am Chem Soc 2004, 126(27), 8576-8584.

29. Xu, G. C.; Liu, R. Q.; Wang, J., Electrochemical synthesis of ammonia using a cell with a Nafion membrane and SmFe0.7Cu0.3-x Ni (x) O-3 (x=0-0.3) cathode at atmospheric pressure and lower temperature. Sci China Ser B 2009, 52 (8), 1171-1175.29. Xu, G. C.; Liu, R. Q.; Wang, J., Electrochemical synthesis of ammonia using a cell with a Nafion membrane and SmFe0.7Cu0.3-x Ni (x) O-3 (x=0-0.3) cathode at atmospheric pressure and lower temperature. Sci China Ser B 2009, 52(8), 1171-1175.

30. Lan, R.; Irvine, J. T. S.; Tao, S. W., Synthesis of ammonia directly from air and water at ambient temperature and pressure. Sci Rep-Uk 2013, 3.30. Lan, R.; Irvine, J. T. S.; Tao, S. W., Synthesis of ammonia directly from air and water at ambient temperature and pressure. Sci Rep-Uk 2013, 3.

31. Skulason, E.; Bligaard, T.; Gudmundsdottir, S.; Studt, F.; Rossmeisl, J.; Abild-Pedersen, F.; Vegge, T.; Jonsson, H.; Norskov, J. K., A theoretical evaluation of possible transition metal electro-catalysts for N2 reduction. Phys Chem Chem Phys 2012, 14 (3), 1235-1245.31. Skulason, E.; Bligaard, T.; Gudmundsdottir, S.; Studt, F.; Rossmeisl, J.; Abild-Pedersen, F.; Vegge, T.; Jonsson, H.; Norskov, J. K., A theoretical evaluation of possible transition metal electro-catalysts for N2 reduction. Phys Chem Chem Phys 2012, 14(3), 1235-1245.

32. Abghoui, Y.; Garden, A. L.; Hlynsson, V. F.; Bjorgvinsdottir, S.; Olafsdottir, H.; Skulason, E., Enabling electrochemical reduction of nitrogen to ammonia at ambient conditions through rational catalyst design. Phys Chem Chem Phys 2015, 17 (7), 4909-4918.32. Abghoui, Y.; Garden, A. L.; Hlynsson, V. F.; Bjorgvinsdottir, S.; Olafsdottir, H.; Skulason, E., Enabling electrochemical reduction of nitrogen to ammonia at ambient conditions through rational catalyst design. Phys Chem Chem Phys 2015, 17(7), 4909-4918.

33. Abghoui, Y.; Garden, A. L.; Howat, J. G.; Vegge, T.; Skulason, E., Electroreduction of N2 to Ammonia at Ambient Conditions on Mononitrides of Zr, Nb, Cr, and V: A DFT Guide for Experiments. Acs Catal 2016, 6 (2), 635-646.33. Abghoui, Y.; Garden, A. L.; Howat, J. G.; Vegge, T.; Skulason, E., Electroreduction of N2 to Ammonia at Ambient Conditions on Mononitrides of Zr, Nb, Cr, and V: A DFT Guide for Experiments. Acs Catal 2016, 6(2), 635-646.

34. Abghoui, Y.; Skulason, E., Electrochemical synthesis of ammonia via Mars-van Krevelen mechanism on the (111) facets of group III-VII transition metal mononitrides. Catal Today 2017, 286, 78-84.34. Abghoui, Y.; Skulason, E., Electrochemical synthesis of ammonia via Mars-van Krevelen mechanism on the (111) faces of group III-VII transition metal mononitrides. Catal Today 2017, 286, 78-84.

35. Abghoui, Y.; Skulason, E., Onset potentials for different reaction mechanisms of nitrogen activation to ammonia on transition metal nitride electro-catalysts. Catal Today 2017, 286, 69-77.35. Abghoui, Y.; Skulason, E., Onset potentials for different reaction mechanisms of nitrogen activation to ammonia on transition metal nitride electro-catalysts. Catal Today 2017, 286, 69-77.

36. Abghoui, Y.; Skulason, E., Computational Predictions of Catalytic Activity of Zincblende (110) Surfaces of Metal Nitrides for Electrochemical Ammonia Synthesis. J Phys Chem C 2017, 121 (11), 6141-6151.36. Abghoui, Y.; Skulason, E., Computational Predictions of Catalytic Activity of Zincblende (110) Surfaces of Metal Nitrides for Electrochemical Ammonia Synthesis. J Phys Chem C 2017, 121(11), 6141-6151.

37. Howalt, J. G.; Vegge, T., Electrochemical ammonia production on molybdenum nitride nanoclusters. Phys Chem Chem Phys 2013, 15 (48), 20957-20965.37. Howalt, J. G.; Vegge, T., Electrochemical ammonia production on molybdenum nitride nanoclusters. Phys Chem Chem Phys 2013, 15(48), 20957-20965.

38. Howalt, J. G.; Vegge, T., The role of oxygen and water on molybdenum nanoclusters for electro catalytic ammonia production. Beilstein J Nanotech 2014, 5, 111-120.38. Howalt, J. G.; Vegge, T., The role of oxygen and water on molybdenum nanoclusters for electrocatalytic ammonia production. Beilstein J Nanotech 2014, 5, 111-120.

39. Abghoui, Y.; Skúlasson, E., Transition Metal Nitride Catalysts for Electrochemical Reduction of Nitrogen to Ammonia at Ambient Conditions. Procedia Computer Science 2015, 51, 1897-1906.39. Abghoui, Y.; Skúlasson, E., Transition Metal Nitride Catalysts for Electrochemical Reduction of Nitrogen to Ammonia at Ambient Conditions. Procedia Computer Science 2015, 51, 1897-1906.

40. Norskov, J. K.; Rossmeisl, J.; Logadottir, A.; Lindqvist, L.; Kitchin, J. R.; Bligaard, T.; Jonsson, H., Origin of the overpotential for oxygen reduction at a fuel-cell cathode. J Phys Chem B 2004, 108 (46), 17886-17892.40. Norskov, J. K.; Rossmeisl, J.; Logadottir, A.; Lindqvist, L.; Kitchin, J. R.; Bligaard, T.; Jonsson, H., Origin of the overpotential for oxygen reduction at a fuel-cell cathode. J Phys Chem B 2004, 108(46), 17886-17892.

41. Kung, H. H., Transition metal oxides : surface chemistry and catalysis. Elsevier ;41. Kung, H. H., Transition metal oxides: surface chemistry and catalysis. Elsevier;

Distributors for the U.S. and Canada, Elsevier Science Pub. Co.: Amsterdam, The Netherlands, ; New YorkDistributors for the U.S. and Canada, Elsevier Science Pub. Co.: Amsterdam, The Netherlands, ; New York

New York, NY, U.S.A., 1989.New York, NY, U.S.A., 1989.

42. Hammer, B.; Hansen, L. B.; Norskov, J. K., Improved adsorption energetics within density-functional theory using revised Perdew-Burke-Ernzerhof functionals. Phys Rev B 1999, 59 (11), 7413-7421.42. Hammer, B.; Hansen, L. B.; Norskov, J. K., Improved adsorption energetics within density-functional theory using revised Perdew-Burke-Ernzerhof functionals. Phys Rev B 1999, 59(11), 7413-7421.

43. Blochl, P. E., Projector Augmented-Wave Method. Phys Rev B 1994, 50 (24), 17953-17979.43. Blochl, P. E., Projector Augmented-Wave Method. Phys Rev B 1994, 50(24), 17953-17979.

44. Kresse, G.; Hafner, J., Abinitio Molecular-Dynamics for Liquid-Metals. Phys Rev B 1993, 47 (1), 558-561.44. Kresse, G.; Hafner, J., Abinitio Molecular-Dynamics for Liquid-Metals. Phys Rev B 1993, 47(1), 558-561.

45. Kresse, G.; Hafner, J., Ab-Initio Molecular-Dynamics Simulation of the Liquid-Metal Amorphous-Semiconductor Transition in Germanium. Phys Rev B 1994, 49 (20), 14251-14269.45. Kresse, G.; Hafner, J., Ab-Initio Molecular-Dynamics Simulation of the Liquid-Metal Amorphous-Semiconductor Transition in Germanium. Phys Rev B 1994, 49(20), 14251-14269.

46. Kresse, G.; Furthmuller, J., Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set. Comp Mater Sci 1996, 6 (1), 15-50.46. Kresse, G.; Furthmuller, J., Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set. Comp Mater Sci 1996, 6(1), 15-50.

47. Kresse, G.; Furthmuller, J., Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Phys Rev B 1996, 54 (16), 11169-11186.47. Kresse, G.; Furthmuller, J., Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Phys Rev B 1996, 54(16), 11169-11186.

48. Skulason, E.; Tripkovic, V.; Bjorketun, M. E.; Gudmundsdottir, S.; Karlberg, G.; Rossmeisl, J.; Bligaard, T.; Jonsson, H.; Norskov, J. K., Modeling the Electrochemical Hydrogen Oxidation and Evolution Reactions on the Basis of Density Functional Theory Calculations. J Phys Chem C 2010, 114 (42), 18182-18197.48. Skulason, E.; Tripkovic, V.; Bjorketun, M. E.; Gudmundsdottir, S.; Karlberg, G.; Rossmeisl, J.; Bligaard, T.; Jonsson, H.; Norskov, J. K., Modeling the Electrochemical Hydrogen Oxidation and Evolution Reactions on the Basis of Density Functional Theory Calculations. J Phys Chem C 2010, 114(42), 18182-18197.

49. Tripkovic, V.; Skulason, E.; Siahrostami, S.; Norskov, J. K.; Rossmeisl, J., The oxygen reduction reaction mechanism on Pt(111) from density functional theory calculations. Electrochim Acta 2010, 55 (27), 7975-7981.49. Tripkovic, V.; Skulason, E.; Siahrostami, S.; Norskov, J. K.; Rossmeisl, J., The oxygen reduction reaction mechanism on Pt(111) from density functional theory calculations. Electrochim Acta 2010, 55(27), 7975-7981.

50. Montoya, J. H.; Tsai, C.; Vojvodic, A.; Norskov, J. K., The Challenge of Electrochemical Ammonia Synthesis: A New Perspective on the Role of Nitrogen Scaling Relations. Chemsuschem 2015, 8 (13), 2180-2186.50. Montoya, J. H.; Tsai, C.; Vojvodic, A.; Norskov, J. K., The Challenge of Electrochemical Ammonia Synthesis: A New Perspective on the Role of Nitrogen Scaling Relations. Chemsuschem 2015, 8 (13), 2180-2186.

51. Morgan, B. J.; Watson, G. W., A DFT+U description of oxygen vacancies at the TiO2 rutile (110) surface. Surf Sci 2007, 601 (21), 5034-5041.51. Morgan, B. J.; Watson, G. W., A DFT+U description of oxygen vacancies at the TiO2 rutile (110) surface. Surf Sci 2007, 601(21), 5034-5041.

52. Abild-Pedersen, F.; Greeley, J.; Studt, F.; Rossmeisl, J.; Munter, T. R.; Moses, P. G.; Skulason, E.; Bligaard, T.; Norskov, J. K., Scaling properties of adsorption energies for hydrogen-containing molecules on transition-metal surfaces. Phys Rev Lett 2007, 99 (1).52. Abild-Pedersen, F.; Greeley, J.; Studt, F.; Rossmeisl, J.; Munter, T. R.; Moses, P. G.; Skulason, E.; Bligaard, T.; Norskov, J. K., Scaling properties of adsorption energies for hydrogen-containing molecules on transition-metal surfaces. Phys Rev Lett 2007, 99(1).

Claims (25)

1. Способ получения аммиака, включающий:1. A method for producing ammonia, including: подачу N2 в электролитическую ячейку, содержащую по меньшей мере один источник протонов;supplying N 2 to an electrolytic cell containing at least one proton source; обеспечение возможности контакта N2 с поверхностью катодного электрода в электролитической ячейке, где поверхность катодного электрода содержит каталитическую поверхность, содержащую по меньшей мере один оксид переходного металла, выбранный из группы, состоящей из оксида ниобия, оксида тантала, оксида осмия, оксида рения и оксида иридия, где по меньшей мере один оксид переходного металла содержит по меньшей мере одну поверхность, имеющую грань (110); иallowing N 2 to contact the surface of a cathode electrode in an electrolytic cell, wherein the surface of the cathode electrode comprises a catalytic surface comprising at least one transition metal oxide selected from the group consisting of niobium oxide, tantalum oxide, osmium oxide, rhenium oxide and iridium oxide wherein the at least one transition metal oxide comprises at least one surface having a (110) facet; And пропускание тока через указанную электролитическую ячейку, в результате чего азот реагирует с протонами с образованием аммиака.passing a current through said electrolytic cell, causing nitrogen to react with protons to form ammonia. 2. Способ по п. 1, где каталитическая поверхность содержит по меньшей мере одну поверхность, имеющую структуру рутила.2. The method according to claim 1, where the catalytic surface contains at least one surface having a rutile structure. 3. Способ по п. 1 или 2, где аммиак образуется в электролитической ячейке при электродном потенциале менее чем приблизительно минус 1,0 В, более предпочтительно менее чем приблизительно минус 0,8 В и еще более предпочтительно менее чем приблизительно минус 0,5 В по сравнению со стандартным водородным электродом (СВЭ).3. The method of claim 1 or 2, wherein ammonia is generated in the electrolytic cell at an electrode potential of less than about minus 1.0 V, more preferably less than about minus 0.8 V, and even more preferably less than about minus 0.5 V compared to a standard hydrogen electrode (SHE). 4. Способ по п. 1 или 2, где катализатор содержит оксид ниобия, и где аммиак образуется в электролитической ячейке при электродном потенциале менее чем приблизительно минус 1,1 В по сравнению с СВЭ.4. The method of claim 1 or 2, wherein the catalyst comprises niobium oxide, and wherein ammonia is generated in the electrolytic cell at an electrode potential of less than about minus 1.1 V compared to the SHE. 5. Способ по п. 1 или 2, где катализатор содержит оксид рения, и где аммиак образуется в электролитической ячейке при электродном потенциале менее чем приблизительно минус 0,7 В по сравнению с СВЭ.5. The method of claim 1 or 2, wherein the catalyst comprises rhenium oxide, and wherein ammonia is generated in the electrolytic cell at an electrode potential of less than about minus 0.7 V compared to the SHE. 6. Способ по п. 1 или 2, где катализатор содержит оксид тантала, и где аммиак образуется в электролитической ячейке при электродном потенциале менее чем приблизительно минус 0,7 В по сравнению с СВЭ.6. The method of claim 1 or 2, wherein the catalyst comprises tantalum oxide, and wherein ammonia is generated in the electrolytic cell at an electrode potential of less than about minus 0.7 V compared to the SHE. 7. Способ по любому из пп. 1-6, где образуется менее 50 % молей H2 по сравнению с количеством молей образовавшегося NH3, предпочтительно менее 20 % и еще более предпочтительно менее 10 %.7. Method according to any one of paragraphs. 1-6, where less than 50% of the moles of H 2 are formed compared to the number of moles of NH 3 formed, preferably less than 20% and even more preferably less than 10%. 8. Способ по любому из пп. 1-7, где указанная электролитическая ячейка содержит один или более водных электролитических растворов.8. Method according to any one of paragraphs. 1-7, wherein said electrolytic cell contains one or more aqueous electrolytic solutions. 9. Способ по любому из пп. 1-7, где указанная электролитическая ячейка содержит электролитический раствор, содержащий органический протонный или апротонный растворитель или их смешивающуюся смесь, предпочтительно смешивающийся с водой органический растворитель. 9. Method according to any one of paragraphs. 1-7, wherein said electrolytic cell contains an electrolytic solution containing an organic protic or aprotic solvent or a miscible mixture thereof, preferably a water-miscible organic solvent. 10. Способ по п. 8 или 9, где указанный азот подают в электролитическую ячейку путем барботирования газообразного азота в электролитический раствор, контактирующий с указанной поверхностью катодного электрода.10. The method according to claim 8 or 9, wherein said nitrogen is supplied to the electrolytic cell by bubbling nitrogen gas into the electrolytic solution in contact with said surface of the cathode electrode. 11. Способ по любому из пп. 1-10, где источником протонов при образовании аммиака является расщепление воды на аноде или реакция окисления H2 на аноде.11. Method according to any one of paragraphs. 1-10, where the source of protons in the formation of ammonia is the splitting of water at the anode or the oxidation reaction of H 2 at the anode. 12. Способ по любому из пп. 1-11, который осуществляют при температуре от приблизительно минус 10 °С до приблизительно 40 °С и предпочтительно от приблизительно 0 до 40 °С.12. Method according to any one of paragraphs. 1-11, which is carried out at a temperature of from about minus 10 °C to about 40 °C, and preferably from about 0 to 40 °C. 13. Способ по любому из пп. 1-12, который осуществляют при комнатной температуре окружающей среды и атмосферном давлении.13. Method according to any one of paragraphs. 1-12, which is carried out at room ambient temperature and atmospheric pressure. 14. Система для генерирования аммиака, содержащая по меньшей мере одну электрохимическую ячейку, содержащую по меньшей мере один катодный электрод, имеющий каталитическую поверхность, где каталитическая поверхность заполнена по меньшей мере одним катализатором, содержащим один или более оксидов переходных металлов, выбранных из группы, состоящей из оксида ниобия, оксида тантала, оксида осмия, оксида рения и оксида иридия, где оксид переходного металла содержит по меньшей мере одну поверхность, имеющую грань (110).14. A system for generating ammonia, comprising at least one electrochemical cell containing at least one cathode electrode having a catalytic surface, where the catalytic surface is filled with at least one catalyst containing one or more transition metal oxides selected from the group consisting of niobium oxide, tantalum oxide, osmium oxide, rhenium oxide and iridium oxide, where the transition metal oxide contains at least one surface having a (110) face. 15. Система по п. 14, где каталитическая поверхность содержит по меньшей мере одну поверхность, имеющую структуру рутила.15. The system of claim 14, wherein the catalytic surface comprises at least one surface having a rutile structure. 16. Система по п. 14 или 15, где указанная электролитическая ячейка дополнительно содержит один или более электролитических растворов.16. The system according to claim 14 or 15, wherein said electrolytic cell further contains one or more electrolytic solutions. 17. Система по п. 16, где указанная электролитическая ячейка содержит кислый, нейтральный или щелочной водный раствор.17. The system according to claim 16, wherein said electrolytic cell contains an acidic, neutral or alkaline aqueous solution. 18. Система по п. 17, где указанная электролитическая ячейка содержит электролитический раствор, содержащий органический протонный или апротонный растворитель или их смешивающуюся смесь, предпочтительно смешивающийся с водой органический растворитель.18. The system of claim 17, wherein said electrolytic cell contains an electrolytic solution containing an organic protic or aprotic solvent or a miscible mixture thereof, preferably a water-miscible organic solvent. 19. Система по любому из пп. 14-18, сконструированная для получения аммиака в электролитической ячейке при электродном потенциале менее чем приблизительно минус 1,0 В, более предпочтительно менее чем приблизительно минус 0,8 В и еще более предпочтительно менее чем приблизительно минус 0,5 В по сравнению с СВЭ.19. The system according to any one of paragraphs. 14-18, designed to produce ammonia in an electrolytic cell at an electrode potential of less than about minus 1.0 V, more preferably less than about minus 0.8 V, and even more preferably less than about minus 0.5 V compared to SHE. 20. Система по п. 19, где катализатор содержит оксид ниобия, и где система сконструирована для получения аммиака в электролитической ячейке при электродном потенциале менее чем приблизительно минус 1,1 В по сравнению с СВЭ.20. The system of claim 19, wherein the catalyst comprises niobium oxide, and wherein the system is designed to produce ammonia in an electrolytic cell at an electrode potential of less than about minus 1.1 V compared to SHE. 21. Система по п. 19, где катализатор содержит оксид рения, и где система сконструирована для получения аммиака в электролитической ячейке при электродном потенциале менее чем приблизительно минус 0,7 В по сравнению с СВЭ.21. The system of claim 19, wherein the catalyst comprises rhenium oxide, and wherein the system is designed to produce ammonia in an electrolytic cell at an electrode potential of less than about minus 0.7 V compared to SHE. 22. Система по п. 19, где катализатор содержит оксид тантала, и где система сконструирована для получения аммиака в электролитической ячейке при электродном потенциале менее чем приблизительно минус 0,7 В по сравнению с СВЭ. 22. The system of claim 19, wherein the catalyst comprises tantalum oxide, and wherein the system is designed to produce ammonia in an electrolytic cell at an electrode potential of less than about minus 0.7 V compared to SHE.
RU2020111951A 2017-09-08 2018-09-10 Electrolytic ammonia production using catalysts based on transition metal oxides RU2803599C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IS050188 2017-09-08
IS50188 2017-09-08
PCT/IS2018/050008 WO2019053749A1 (en) 2017-09-08 2018-09-10 Electrolytic ammonia production using transition metal oxide catalysts

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2020111951A RU2020111951A (en) 2021-10-08
RU2020111951A3 RU2020111951A3 (en) 2022-02-21
RU2803599C2 true RU2803599C2 (en) 2023-09-18

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2008102379A (en) * 2005-06-23 2009-07-27 ДжиАрДиСи, ЭлЭлСи (US) EFFECTIVE HYDROGEN PRODUCTION
RU2479558C2 (en) * 2007-08-31 2013-04-20 Энерджи Энд Инвайронментал Рисерч Сентер Фаундейшн Electrochemical method of producing nitrogen fertilisers
WO2015009155A1 (en) * 2013-07-18 2015-01-22 Technische Universiteit Delft Electrolytic cell for the production of ammonia
WO2017132721A1 (en) * 2016-02-03 2017-08-10 Monash University Method and cell for conversion of dinitrogen into ammonia

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2008102379A (en) * 2005-06-23 2009-07-27 ДжиАрДиСи, ЭлЭлСи (US) EFFECTIVE HYDROGEN PRODUCTION
RU2479558C2 (en) * 2007-08-31 2013-04-20 Энерджи Энд Инвайронментал Рисерч Сентер Фаундейшн Electrochemical method of producing nitrogen fertilisers
WO2015009155A1 (en) * 2013-07-18 2015-01-22 Technische Universiteit Delft Electrolytic cell for the production of ammonia
WO2017132721A1 (en) * 2016-02-03 2017-08-10 Monash University Method and cell for conversion of dinitrogen into ammonia

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2018332238B2 (en) Electrolytic ammonia production using transition metal oxide catalysts
Hoskuldsson et al. Computational screening of rutile oxides for electrochemical ammonia formation
Guo et al. Electrochemical nitrogen fixation and utilization: theories, advanced catalyst materials and system design
Abghoui et al. Computational predictions of catalytic activity of zincblende (110) surfaces of metal nitrides for electrochemical ammonia synthesis
Cao et al. Aqueous electrocatalytic N 2 reduction under ambient conditions
Kyriakou et al. Progress in the electrochemical synthesis of ammonia
Abghoui et al. Onset potentials for different reaction mechanisms of nitrogen activation to ammonia on transition metal nitride electro-catalysts
Mou et al. High-efficiency electrohydrogenation of nitric oxide to ammonia on a Ni 2 P nanoarray under ambient conditions
RU2686465C2 (en) Electrolytic method for producing ammonia
Lin et al. Bi nanodendrites for highly efficient electrocatalytic NO reduction to NH3 at ambient conditions
Du et al. Hybrid water electrolysis: Replacing oxygen evolution reaction for energy-efficient hydrogen production and beyond
Abghoui et al. Transition metal nitride catalysts for electrochemical reduction of nitrogen to ammonia at ambient conditions
Abghoui et al. Enabling electrochemical reduction of nitrogen to ammonia at ambient conditions through rational catalyst design
Skulason et al. A theoretical evaluation of possible transition metal electro-catalysts for N 2 reduction
Li et al. Alternative strategies toward sustainable ammonia synthesis
Kwon et al. Formic acid from carbon dioxide on nanolayered electrocatalyst
Attanayake et al. Electrocatalytic CO 2 reduction on earth abundant 2D Mo 2 C and Ti 3 C 2 MXenes
Nazemi et al. Electrosynthesis of ammonia using porous bimetallic Pd–Ag nanocatalysts in liquid-and gas-phase systems
Zhang et al. Bimetallic phosphoselenide nanosheets as bifunctional catalysts for 5-hydroxymethylfurfural oxidation and hydrogen evolution
Yu et al. Uncovering the surface and phase effect of molybdenum carbides on hydrogen evolution: a first-principles study
JP2022512310A (en) Electrolytic production method of ammonia from nitrogen using metal sulfide catalyst surface
Guha et al. Mechanistic insight into high yield electrochemical nitrogen reduction to ammonia using lithium ions
CN115449822A (en) Method for preparing cement and/or carbonaceous product by converting calcium carbonate based on electrochemical method
Wu et al. Amorphous nickel–iron hydroxide nanosheets for effective electroreduction of nitrate to ammonia
Zeng et al. Progress in Mo/W-based electrocatalysts for nitrogen reduction to ammonia under ambient conditions