2022年4月23日,星期六

原子尺度下哈伯-博世催化前驱体的成像

该研究揭示了在相关复杂性开始时定义碱原子促进催化化学的基本相互作用。

碱原子是催化还原化学的微妙促进剂,在重要的化学过程中,从合成农用化学品到激活工业用碳氢化合物原料。它们作为一种电子源,可以降低活化能,并大大提高各种工业上重要反应的金属催化剂的化学活性,包括水气转换反应、费托反应和哈伯-博世氨合成。

NH的工业生产3.的解离过程,N2碱原子助催化剂促进原料分子被认为是限制反应速率的步骤。

哈伯-博世(Haber-Bosch)的合成能耗占全球总能耗的1%,二氧化碳排放量占全球的1.4%2排放。因此,在原子尺度上深入了解K原子- n2金属基底上的分子相互作用,特别是碱原子促进化学,具有广泛的意义。

研究人员匹兹堡大学和中国科学技术大学的理论合作者在原子尺度上研究了Haber-Bosch催化前驱体。

在一篇将于2022年4月21日发表在《细胞报告物理科学》(Cell Reports Physical Science)上的研究文章中,匹兹堡大学的Hrvoje Petek领导的研究人员能够通过扫描隧道显微镜在原子尺度上直接观察到N2吸附,它们的集体相互作用,以及隧穿电子诱导N2解吸过程与碱促进NH有关3.合成。K和N之间主要的两两相互作用2是静电双中心库仑吸引,电荷从K转移到N2削弱了N2在Haber-Bosch合成中,分子键朝向其解离。的k - n2密度泛函理论解释的相互作用与实验观测结果一致。

研究方法

相关吸附物K原子n2利用STM成像和DFT计算研究了Ag(111)表面碱促进Haber-Bosch氨合成过程中的分子相互作用和电子诱导解吸。

研究人员表明N2分子与K原子相互作用凝结成1:1的K- n2单位形成(K-N2)x个集群(x = 1-4)在低N2保险。的k - n2通过DFT计算解释的相互作用再现了原子位移和成像对比的趋势。

弱负电荷N的吸引力2K原子几乎完全电离的分子是静电的,仅微弱地依赖于形成复合体的相互作用物种的数量。在高N2险,k - n2配合物在六方K原子层内凝聚成无特征的暗岛,可能涉及K原子的N倍络合2使相互作用的物质更容易缩合。

高密度K-N的凝聚2由于N2分子可以使K原子在多种近乎等能的结构中复杂化。根据DFT计算,这种簇的STM图像中K原子对比度的损失可以用K- n的变化来解释2EF附近的复杂电子结构。

K-N的强优先缩合2岛屿在N2分子吸附表明,要理解哈伯-博世合成氨的催化过程,必须解决N2分子及其催化伙伴。电荷的界面流动进入K 4s轨道导出的未占据态,导致K原子和N原子之间的库仑排斥2产生氮的分子2解吸时,还原未络合K原子的对比度。

突出了

  • K - Haber-Bosch助催化剂与N的静电相互作用2分子
  • STM测量通过N检测K原子位移2吸附
  • 集体k - n2分子间的相互作用很明显
  • DFT理论表征了N2K/Ag(111)表面的化学吸附

“我们的结果揭示了相关复杂性开始时的基本相互作用,这定义了碱原子催化的促进作用化学”。研究报价。

期刊引用

  1. 张超,陈林杰,赵晋,Hrvoje Petek;原子尺度下哈伯-博世催化前驱体的成像。Cell Reports Physical Science, 3,100865, 2022年5月18日10.1016 / j.xcrp.2022.100865

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