Electrochemical ammonia synthesis via nitrate reduction over lithium incorporated CeO2

Abstract

Ammonia (NH3) is a crucial chemical in the industrial sector, primarily employed for the production of fertilizers containing nitrogen, as well as nitric acid, polymers, and pharmaceuticals. Furthermore, it is being evaluated as a high-energy, carbon-neutral energy transporter. Currently, the production of NH3 is achieved by the energy-intensive Haber-Bosch process. This process utilizes fossil fuels as a hydrogen and energy source resulting in substantial carbon dioxide emissions. NH3 production from air, water, and renewable electricity using electrochemical processes has been suggested as a potential resolution for these problems. In this thesis, we employed CeO2 due to its multiple valence states, crystal structure, and electrochemical functionalities in electrochemical ammonia synthesis via nitrate (NO3-) reduction. Additionally, lithium metal dopants played a significant role in the reduction of nitrate to ammonia. Hollow sphere powder materials synthesized in nano size using the ultra spray pyrolysis method were characterized by XRD, XPS, Raman spectroscopy, SEM, and TEM. Electrochemical activity studies including chronoamperometry experiments were conducted and subsequently, the indophenol blue method was employed for the determination of ammonia. 10% Li-doped CeO2 yielded a faradaic efficiency (F.E) of 82.9%. Through studies involving Fe impregnation, the performance and efficiency were further enhanced, achieving an F.E of 94% and an NH3 yield rate of 1 mg h-1.mg-1. These results demonstrate the successful outcomes of nitrate reduction with lithium-doped CeO2 and the synthesis of an innovative and high-performance material for ammonia production.

Amonyak (NH3) sanayi sektöründe çok önemli bir kimyasaldır ve öncelikle nitrojen içeren gübrelerin yanı sıra nitrik asit, polimerler ve farmasötiklerin üretiminde kullanılır. Ayrıca, yüksek enerjili, karbon-nötr bir enerji taşıyıcısı olarak değerlendirilmektedir. Şu anda NH3 üretimi enerji yoğun Haber-Bosch prosesi ile gerçekleştirilmektedir. Bu süreçte hidrojen ve enerji kaynağı olarak fosil yakıtlar kullanılmakta ve önemli miktarda karbondioksit emisyonuna neden olmaktadır. Elektrokimyasal süreçler kullanılarak hava, su ve yenilenebilir elektrikten NH3 üretimi bu sorunlara potansiyel bir çözüm olarak önerilmiştir. Bu tezde, nitrat (NO3-) indirgemesi yoluyla elektrokimyasal amonyak sentezinde çoklu değerlik durumları, kristal yapısı ve elektrokimyasal işlevleri nedeniyle CeO2 kullandık. Ayrıca, lityum metal katkısı nitratın amonyağa indirgenmesinde önemli bir rol oynamıştır. Ultra sprey piroliz yöntemi kullanılarak nano boyutta sentezlenen içi boş küre toz malzemeler XRD, XPS, Raman spektroskopisi, SEM ve TEM ile karakterize edilmiştir. Kronoamperometri deneylerini içeren elektrokimyasal aktivite çalışmaları yürütülmüş ve ardından amonyak tayini için indofenol mavisi yöntemi kullanılmıştır. 10% Li-katkılı CeO2 %82,9'luk bir faradaik verimlilik (F.E) vermiştir. Fe emdirme çalışmaları sayesinde performans ve verimlilik daha da arttırılarak %94 F.E ve ayrıca 1 mg h-1.mg-1 NH3 verim oranı elde edilmiştir. Bu sonuçlar, lityum katkılı CeO2 ile nitrat indirgemesinin başarılı sonuçlarını ve amonyak üretimi için yenilikçi ve yüksek performanslı bir malzemenin sentezlendiğini göstermektedir.