바나듐 나이트라이드 나노입자에서의 전기화학적 질소 환원 반응에 대한 메커니즘적 통찰

대부분의 비료의 구성 요소인 암모니아의 재생 가능한 생산은 전기화학적 질소 환원 반응(ENRR)을 통해 이루어지는 것이 바람직하지만, 선택적인 전극 촉매가 부족합니다. 여기서 우리는 바나듐 나이트라이드(VN) 나노입자가 ENRR에서 각각 3.3 × 10–10 mol s–1 cm–2의 ENRR 속도와 -0.1 V에서 1시간 내에 6.0%의 파라디효율(FE)을 가지는 활성, 선택적, 안정한 ENRR 촉매임을 보여줍니다. 15N2를 피드로 사용한 ENRR은 14NH3와 15NH3를 모두 생산하며, 이는 반응이 Mars–van Krevelen 메커니즘을 따른다는 것을 나타냅니다. 신선하고 사용된 촉매에 대한 외부 X선 광전자 분광법 특성화 결과, 표면에 여러 종류의 바나듐 산화물, 옥시나이트라이드 및 나이트라이드 스페시스가 존재하며, VN0.7O0.45가 ENRR에서 활성상으로 확인되었습니다. 작동 중 X선 흡수 분광법 및 촉매 내구성 시험 결과는 이 가설을 뒷받침하며, VN0.7O0.45의 VN 상으로의 전환이 촉매 비활성화를 초래함을 나타냅니다. 우리는 ENRR에서 표면 O 옆의 표면 N 자리만이 활성적이라고 가설합니다. 1.1 × 10–10 mol s–1 cm–2의 암모니아 생산 속도를 116시간 동안 유지할 수 있으며, 안정 상태에서의 전환 숫자는 431입니다.