Confined Ru Sites in a 13X Zeolite for Ultrahigh H2 Production from NH3 Decomposition

化学 沸石 催化作用 制氢 漫反射红外傅里叶变换 结构精修 分解 路易斯酸 物理化学 结晶学 无机化学 晶体结构 有机化学 光催化
作者
Kwan Chee Leung,Sungil Hong,Guangchao Li,Youdong Xing,Bryan Kit Yue Ng,Ping-Luen Ho,Dongpei Ye,Pu Su Zhao,Ephraem Tan,Оlga V. Safonova,Tai‐Sing Wu,Molly Meng‐Jung Li,Giannis Mpourmpakis,Shik Chi Edman Tsang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (26): 14548-14561 被引量:9
标识
DOI:10.1021/jacs.3c05092
摘要

Catalytic NH3 synthesis and decomposition offer a new promising way to store and transport renewable energy in the form of NH3 from remote or offshore sites to industrial plants. To use NH3 as a hydrogen carrier, it is important to understand the catalytic functionality of NH3 decomposition reactions at an atomic level. Here, we report for the first time that Ru species confined in a 13X zeolite cavity display the highest specific catalytic activity of over 4000 h-1 for the NH3 decomposition with a lower activation barrier, compared to most reported catalytic materials in the literature. Mechanistic and modeling studies clearly indicate that the N-H bond of NH3 is ruptured heterolytically by the frustrated Lewis pair of Ruδ+-Oδ- in the zeolite identified by synchrotron X-rays and neutron powder diffraction with Rietveld refinement as well as other characterization techniques including solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy, in situ diffuse reflectance infrared transform spectroscopy, and temperature-programmed analysis. This contrasts with the homolytic cleavage of N-H displayed by metal nanoparticles. Our work reveals the unprecedented unique behavior of cooperative frustrated Lewis pairs created by the metal species on the internal zeolite surface, resulting in a dynamic hydrogen shuttling from NH3 to regenerate framework Brønsted acid sites that eventually are converted to molecular hydrogen.
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