洞見 - Catalysis - # 光驅動常壓氨氣合成

在常壓下利用AuRu觸媒合成氨氣的光驅動過程 - 通過等離子體控制的氫化和氮物種脫附實現

Q: 光驅動過程中,如何進一步提高熱電子的利用效率和選擇性,以實現更高的反應速率和選擇性?

在光驅動過程中，提高熱電子的利用效率和選擇性可以通過幾個策略來實現。首先，優化催化劑的結構和組成是關鍵。根據本研究，AuRu合金的最佳摩爾比（Au:Ru = 1:0.2）顯示出最高的量子效率，這表明合金的組成對於光吸收和催化活性之間的平衡至關重要。進一步的研究可以探索不同金屬組合和形狀的催化劑，以提高光吸收和催化活性。 其次，調整光源的波長和強度也能顯著影響熱電子的生成和利用。根據研究結果，光驅動反應在490-550 nm的波長範圍內顯示出最佳的反應活性，這與金屬的局部表面等離子共振（LSPR）相匹配。因此，使用合適的光源和濾光片來選擇性激發催化劑的LSPR，可以進一步提高熱電子的利用效率。 最後，通過設計具有更高表面積和更佳電子傳導性的催化劑結構，可以促進熱電子的有效轉移至反應物表面，從而提高反應速率和選擇性。例如，納米結構的催化劑可以提供更多的活性位點，並促進熱電子的聚集和利用。

Q: 除了N2解離,光驅動過程是否還能促進其他關鍵反應步驟,如H2解離或NH3脫附?

是的，光驅動過程不僅能促進N2的解離，還能有效促進其他關鍵反應步驟，如H2的解離和NH3的脫附。根據本研究的結果，光照下的催化劑顯示出對氫分子解離的加速作用，這是因為光驅動過程中生成的熱電子能夠促進氫分子的活化，從而提高反應速率。 此外，NH3的脫附過程也受到光照的影響。研究顯示，在光照條件下，NH3的表面吸附物濃度隨著光強度的增加而增加，這表明光驅動過程能夠促進NH3的生成和脫附。這種現象可能與熱電子的參與有關，熱電子能夠降低NH3脫附的能量障礙，從而促進其從催化劑表面的釋放。 因此，光驅動過程在整個氨合成反應中扮演著重要角色，不僅限於N2的解離，還包括H2的解離和NH3的脫附，這些步驟的加速有助於提高整體反應效率。

Q: 如何將本研究的機理洞見應用於其他光化學轉化過程,實現更廣泛的可持續化學轉化?

本研究的機理洞見可以應用於其他光化學轉化過程，以實現更廣泛的可持續化學轉化。首先，通過理解光驅動過程中熱電子的生成和利用機制，可以設計出更高效的催化劑，這些催化劑不僅限於氨合成，還可以應用於其他反應，如CO2還原、甲醇合成等。這些反應同樣需要有效的電子轉移和活化過程，利用類似的催化劑設計原則可以提高其反應效率。 其次，研究中提出的最佳合金組成和結構設計方法可以被借鑒，用於開發針對特定反應的催化劑。例如，針對CO2還原反應，可以設計具有高表面積和良好電子導電性的金屬合金催化劑，以提高光吸收和反應活性。 最後，將光驅動過程與其他可再生能源技術結合，如太陽能電池和電解水技術，可以進一步推動可持續化學轉化的發展。通過整合這些技術，可以實現更高效的能源轉換和存儲，從而促進可持續化學的實現。這些機理洞見不僅限於氨合成，還可以推廣到更廣泛的化學轉化過程中，為可持續化學的未來提供新的思路和方法。

核心概念

利用AuRu雙金屬合金觸媒,通過等離子體誘導的熱電子促進氮物種的氫化和脫附,在常溫常壓下實現高效光驅動氨氣合成。

摘要

本研究設計了AuRu雙金屬合金觸媒,探討了不同Au:Ru比例對光催化氨氣合成的影響。結果顯示,AuRu0.2觸媒在100 mW/cm2可見光照射下表現最佳,反應速率達到約60 μmol/g/h,外量子效率約0.12%。

通過原位紅外光譜分析,發現光照條件下氮物種的氫化和脫附過程被加速,導致NH3中間體濃度顯著提高,而熱驅動反應則出現NH3濃度的非單調變化。量子化學計算進一步揭示,光激發可降低N2解離的能量障礙,使氫輔助的N2解離路徑成為關鍵反應步驟。

綜上所述,等離子體誘導的熱電子可有效調控氮物種的表面反應動力學,從而在常溫常壓下實現高效光驅動氨氣合成。這一機理洞見為設計高效光化學轉化系統提供了重要指導。

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統計資料

在100 mW/cm2可見光照射下,AuRu0.2觸媒的氨氣生成速率約為60 μmol/g/h。
在相同條件下,AuRu0.2觸媒的外量子效率約為0.12%。

引述

"光驅動反應在較低溫度下可達到高於熱驅動反應的反應速率,表明存在非熱效應的貢獻。"
"在光照條件下,NH3*中間體濃度隨光強線性增加,而熱驅動反應則出現非單調變化,進一步支持了光誘導的非熱效應。"
"量子化學計算顯示,光激發可降低N2解離的能量障礙,使氫輔助的N2解離成為關鍵反應步驟。"

從以下內容提煉的關鍵洞見

Atmospheric Pressure Ammonia Synthesis on AuRu Catalysts Enabled by Plasmon-Controlled Hydrogenation and Nitrogen-species Desorption

by Lin Yuan, Br... 於 arxiv.org 10-03-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.01300.pdf

Atmospheric Pressure Ammonia Synthesis on AuRu Catalysts Enabled by Plasmon-Controlled Hydrogenation and Nitrogen-species Desorption

深入探究

光驅動過程中,如何進一步提高熱電子的利用效率和選擇性,以實現更高的反應速率和選擇性?

在光驅動過程中，提高熱電子的利用效率和選擇性可以通過幾個策略來實現。首先，優化催化劑的結構和組成是關鍵。根據本研究，AuRu合金的最佳摩爾比（Au:Ru = 1:0.2）顯示出最高的量子效率，這表明合金的組成對於光吸收和催化活性之間的平衡至關重要。進一步的研究可以探索不同金屬組合和形狀的催化劑，以提高光吸收和催化活性。
其次，調整光源的波長和強度也能顯著影響熱電子的生成和利用。根據研究結果，光驅動反應在490-550 nm的波長範圍內顯示出最佳的反應活性，這與金屬的局部表面等離子共振（LSPR）相匹配。因此，使用合適的光源和濾光片來選擇性激發催化劑的LSPR，可以進一步提高熱電子的利用效率。
最後，通過設計具有更高表面積和更佳電子傳導性的催化劑結構，可以促進熱電子的有效轉移至反應物表面，從而提高反應速率和選擇性。例如，納米結構的催化劑可以提供更多的活性位點，並促進熱電子的聚集和利用。

除了N2解離,光驅動過程是否還能促進其他關鍵反應步驟,如H2解離或NH3脫附?

是的，光驅動過程不僅能促進N2的解離，還能有效促進其他關鍵反應步驟，如H2的解離和NH3的脫附。根據本研究的結果，光照下的催化劑顯示出對氫分子解離的加速作用，這是因為光驅動過程中生成的熱電子能夠促進氫分子的活化，從而提高反應速率。
此外，NH3的脫附過程也受到光照的影響。研究顯示，在光照條件下，NH3的表面吸附物濃度隨著光強度的增加而增加，這表明光驅動過程能夠促進NH3的生成和脫附。這種現象可能與熱電子的參與有關，熱電子能夠降低NH3脫附的能量障礙，從而促進其從催化劑表面的釋放。
因此，光驅動過程在整個氨合成反應中扮演著重要角色，不僅限於N2的解離，還包括H2的解離和NH3的脫附，這些步驟的加速有助於提高整體反應效率。

如何將本研究的機理洞見應用於其他光化學轉化過程,實現更廣泛的可持續化學轉化?

本研究的機理洞見可以應用於其他光化學轉化過程，以實現更廣泛的可持續化學轉化。首先，通過理解光驅動過程中熱電子的生成和利用機制，可以設計出更高效的催化劑，這些催化劑不僅限於氨合成，還可以應用於其他反應，如CO2還原、甲醇合成等。這些反應同樣需要有效的電子轉移和活化過程，利用類似的催化劑設計原則可以提高其反應效率。
其次，研究中提出的最佳合金組成和結構設計方法可以被借鑒，用於開發針對特定反應的催化劑。例如，針對CO2還原反應，可以設計具有高表面積和良好電子導電性的金屬合金催化劑，以提高光吸收和反應活性。
最後，將光驅動過程與其他可再生能源技術結合，如太陽能電池和電解水技術，可以進一步推動可持續化學轉化的發展。通過整合這些技術，可以實現更高效的能源轉換和存儲，從而促進可持續化學的實現。這些機理洞見不僅限於氨合成，還可以推廣到更廣泛的化學轉化過程中，為可持續化學的未來提供新的思路和方法。