Development of Innovative Electrodes for the Electrocatalytic Conversion of Small Molecules.

Nitrogen plays an indispensable role for all life on earth and for the development of human beings. Industrially, nitrogen gas is converted to ammonia (NH3) and nitrogen-rich fertilisers to supplement the amount of nitrogen fixed spontaneously by nature. At present, the only industrial-scale ammonia synthesis technology is the process developed by Haber and Bosch in the early 20th century using gas phase N2 and H2 as the feeding gases. However, the Haber-Bosch process requires harsh conditions, complex equipment and high energy consumption, and operates with low conversion rates, which are inconsistent with economic and social growing development requirements. Compared to the Haber-Bosch method, electrocatalysis is one of the promising routes that can integrate electricity produced from renewable energy technologies for the production of ammonia at room temperature and ambient pressure. A specific challenge is related to the development of novel electrocatalysts/electrodes with the aim to achieve a low-cost, large-scale and delocalized production of ammonia. In view of the above key scientific issues, this PhD work focuses on three main aspects of the electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR): i) engineering and design of the electrocatalyst, ii) electrode and cell design of the electrochemical device and iii) improvement and optimization of the reaction conditions, to enhance the performances of ammonia synthesis. Most of the research activities of this PhD work about synthesis and characterization of the electrocatalytic materials and assembling/testing of the electrodes in unconventional electrochemical devices were carried out at the laboratory CASPE (Laboratory of Catalysis for Sustainable Production and Energy) of the University of Messina. Moreover, during the three years, a period of 12 months was spent in cotutelle with the École supérieure de chimie, physique, électronique de Lyon (CPE Lyon), where advanced synthesis routes were explored for the preparation of organometallic-based electrocatalysts to be used as more active electrodes in NRR. The PhD thesis is organized in five main chapters. Chapter 1 focuses on N2 fixation issues and on describing the industrial Haber-Bosch process, with an overview of the general implications related to its high energy requirements. The alternative methods based on the electrochemical nitrogen fixation are then presented, with a wide description of pros and cons related to the milder conditions (i.e., room temperature and atmospheric pressure) and by discussing the elements to be developed for a future implementation of this technology, including a description of the possible reaction mechanism, which is still unclear in literature. Chapter 2, instead, refers to the electrocatalytic materials developed in this PhD work for the preparation of the electrodes: 1) the Metal-organic Frameworks (MOFs), a class of porous materials very promising for their peculiar characteristics of high surface area, tunable properties, organic functionality and porosity, as well as for the possibility of creating specific catalytic active sites thanks to both the functional groups and the metal ion centres; 2) the MXenes, a class of metal carbide or nitride materials with a two-dimensional (2D) structure, which have recently attracted a large interest for a broad range of applications, including catalysis and N2 fixation, for their unique properties of metallic conductivity and hydrophilic nature of the hydroxyl or oxygen terminated surfaces. In Chapters 3-5, the experimental results are presented and discussed. Chapter 3 concerns the preparation of a series of Fe-MOF-based (Fe@Zn/SIM-1) electrodes and their testing in NRR by using an advanced engineered three-phase reactor, working in gas-phase. This novel device operates at room temperature and atmospheric pressure, with counter and reference electrodes immersed into an anode half-cell (where the oxidation of H2O to O2 occurs) containing a liquid electrolyte (the anolyte), while the cathode half-cell for NRR operates in gas phase without a liquid electrolyte (electrolyte-less conditions). This type of electrocatalytic reactor is thus quite different from the conventional electrocatalytic reactors operating in liquid phase, with the main advantages of avoiding issues related to the low N2 solubility and transport in the electrolyte, and allowing an easier recovery of ammonia. The results obtained from these electrocatalytic tests in gas-phase were very useful to improve the design of the MOFs-based electrodes, evidencing the limits of these kinds of materials in terms of N content, stability and possibility to prepare more advanced electrocatalysts by carbonization. A wide part of this chapter was dedicated to the development of new experimental strategies for avoiding false positive in the detection of ammonia, which is one of the topics most studied from scientists working in NRR in the last two years. As accurate protocols were recently suggested in literature, also using advanced analytical techniques (i.e. using 15N labelled nitrogen), an easier methodology based on UV-visible spectrophotometric analysis (coupled with blank tests with inert gases) was suggested in this work to avoid ammonia contaminations and false positives, although more sophisticated analytical techniques may definitely confirm the real source of ammonia. In Chapter 4, a series of improved Fe-MOF-based materials (Fe-based and Fe-alkali metal-based MOF UiO-66-(COOH)2), synthesized by cation exchange reaction technique to replace the proton of carboxylic acid with an iron cation, are presented. With respect to Fe@Zn/SIM-1, this new class of MOFs are more stable in water and do not contain nitrogen atoms in their structure. Results evidenced that 80% cation exchange Fe@UiO-66-(COOH)2 (with an effective Fe content of around 8 wt.%) was the best electrocatalyst among the tested Fe-based MOF synthesized materials. The performances in NRR highly depended on cell and electrode design. More in detail, an ammonia yield of 1.19 μg•h-1•mgcat-2 was obtained with an assembling configuration of layers ordered as i) Nafion (the membrane), ii) Fe-based MOF (the electrocatalyst), iii) GDL (the carbon gas diffusion layer) and iv) a further layer of Fe-MOF. The effect of applied voltage was also explored, indicating an optimal voltage of -0.5 V vs. RHE to maximize activity in NRR and limiting the side hydrogen evolution reaction. Moreover, as currently used in the industrial catalysts for Haber-Bosh process, the introduction of potassium in the electrocatalysts was also investigated, in order to facilitate charge transfer from K- ions to the iron-based catalyst surface, balancing the dissociative chemisorption between H2 and N2, and suppressing side reactions, thus improving both activity and stability. These results were very promising, although a further experimentation is needed to improve their performances in NRR, to overcome limitations related to MOF materials themselves, majorly due to their low conductivity and stability. Finally, Chapter 5 refers to the exploration of advanced MXene materials (Ti3C2 MXene) and to the attempt of synthesizing a 3D nanoarchitecture starting from 2D-dimensional MXene-based catalysts. To understand the role of the nanostructure of MXene materials in NRR, Ti3C2 nanosheets were treated with KOH to obtain a final shape of three-dimensional (3D) porous frameworks nanoribbons. Specifically, the objective of this research was to investigate how the conversion of Ti3C2 nanosheets to 3D-like nanoribbons influence the NRR reactivity in the gas-phase electrochemical device. A full characterization of MXenes nanoribbons (SEM, TEM, HRTEM, XRD, XPS and EDX) was also presented. Results showed that the 3D-type nanostructure (nanoribbons) leads to a significant enhancement of the N2 fixation activity due to the formation of exposed Ti-OH sites. A linear relationship was observed between ammonia formation rate and amount of oxygen on the surface of Ti3C2 MXene.

L'azoto gioca un ruolo indispensabile per la vita sulla terra e per lo sviluppo degli esseri umani. Industrialmente, è necessario convertire l'azoto gassoso in ammoniaca (NH3) per la produzione di fertilizzanti, in modo da integrare la quantità di azoto fissata spontaneamente in natura. Attualmente, l'unica tecnologia di sintesi dell'ammoniaca su scala industriale è il processo sviluppato da Haber e Bosch all'inizio del XX secolo che utilizza N2 e H2 come gas di alimentazione. Tuttavia, il processo Haber-Bosch richiede condizioni molto drastiche, apparecchiature complesse e porta ad un elevato consumo energetico, operando inoltre a bassi tassi di conversione che non sono coerenti con le esigenze sempre crescenti di sviluppo economico e sociale. In alternativa al metodo Haber-Bosch, l'elettrocatalisi rappresenta una delle vie più promettenti che possono integrare l'elettricità prodotta da tecnologie di energia rinnovabile con la produzione di ammoniaca a temperatura ambiente e a pressione atmosferica. Una sfida specifica è legata allo sviluppo di nuovi elettrocatalizzatori/elettrodi con l'obiettivo di ottenere una produzione di ammoniaca a basso costo, su larga scala e delocalizzata sul territorio. Alla luce delle suddette questioni scientifiche fondamentali, questo lavoro di dottorato si concentra su tre aspetti principali legati alla reazione elettrocatalitica di riduzione dell'azoto (NRR): i) l’ingegneria e la progettazione dell'elettrocatalizzatore, ii) la progettazione dell'elettrodo e del dispositivo elettrochimico e iii) il miglioramento e l’ottimizzazione delle condizioni di reazione, per migliorarne le prestazioni nella sintesi dell'ammoniaca. La maggior parte delle attività di ricerca di questo dottorato, dalla sintesi e caratterizzazione dei materiali elettrocatalitici all'assemblaggio/collaudo degli elettrodi in dispositivi elettrochimici non convenzionali, sono state svolte presso il laboratorio CASPE (Laboratorio di Catalisi per la Produzione e l'Energia Sostenibile) dell'Università di Messina. Durante i tre anni, un periodo di 12 mesi è stato inoltre trascorso in cotutela con l'École supérieure de chimie, physique, électronique de Lyon (CPE Lyon), dove sono state studiate tecniche di sintesi avanzate per la preparazione di elettrocatalizzatori a base organometallica da utilizzare come elettrodi cataliticamente attivi nella NRR. La tesi di dottorato è organizzata in cinque capitoli principali. Il capitolo 1 si concentra sulle questioni di fissazione dell’azoto e sulla descrizione del processo industriale Haber-Bosch, con una panoramica sulle implicazioni generali relative al suo elevato fabbisogno energetico. Vengono poi presentati i metodi alternativi per la fissazione elettrochimica dell'azoto, con un'ampia descrizione dei vantaggi, legati alle condizioni più favorevoli (cioè temperatura ambiente e pressione atmosferica) e degli svantaggi, e discutendo gli elementi da sviluppare per una futura implementazione di questa tecnologia, includendo anche una descrizione del possibile meccanismo di reazione, ancora non del tutto chiaro in letteratura. Il capitolo 2, invece, si riferisce alla descrizione dei materiali elettrocatalitici sviluppati in questo lavoro di dottorato per la preparazione degli elettrodi: 1) i “Metal-Organic Frameworks” (MOF), una classe di materiali porosi molto promettenti per le loro caratteristiche peculiari di elevata superficie, proprietà adattabili, funzionalità organica e porosità, oltre che per la possibilità di creare specifici siti attivi catalitici grazie sia ai gruppi funzionali che ai centri ionici metallici; 2) i MXeni, una classe di materiali a base di carburi o nitruri metallici con struttura bidimensionale (2D), che hanno recentemente attirato un grande interesse per una vasta gamma di applicazioni, tra cui la catalisi e la fissazione di N2, per le loro proprietà uniche di conducibilità metallica e la natura idrofila delle superfici con terminali idrossilici o di ossigeno. Nei capitoli 3-5 vengono presentati e discussi i risultati sperimentali. Il capitolo 3 riguarda la preparazione di una serie di elettrodi di MOF a base di Fe (Fe@Zn/SIM-1) e il loro test nella NRR utilizzando un reattore trifasico avanzato, che lavora in fase gassosa. Questo nuovo dispositivo funziona a temperatura ambiente e a pressione atmosferica, e possiede il controelettrodo e l’elettrodo di riferimento immersi in una semicella anodica (dove avviene l'ossidazione di H2O a O2) contenente un elettrolita liquido (l'anolita), mentre la semicella catodica per la NRR opera in fase gassosa senza elettrolita liquido. Questo tipo di reattore elettrocatalitico è quindi molto diverso dai reattori elettrocatalitici convenzionali che operano in fase liquida, con il grande vantaggio di evitare problematiche legate alla bassa solubilità e al trasporto di N2 nell'elettrolita, e di permettere inoltre un più facile recupero dell'ammoniaca prodotta. I risultati ottenuti da questi test elettrocatalitici in fase gassosa sono stati molto utili per migliorare la progettazione degli elettrodi a base di MOF, evidenziando i limiti di questo tipo di materiali in termini di contenuto di N, stabilità e possibilità di preparare elettrocatalizzatori più avanzati mediante carbonizzazione. Un'ampia parte di questo capitolo è stata dedicata allo sviluppo di nuove strategie sperimentali per evitare i falsi positivi nella rilevazione dell'ammoniaca, che è uno degli argomenti più investigati negli ultimi due anni dai ricercatori che lavorano sulla NRR. Mentre in letteratura sono stati recentemente proposti protocolli molto accurati che utilizzano tecniche analitiche avanzate (basati sull’azoto marcato 15N), in questo lavoro viene invece suggerita una metodologia più semplice basata sull'analisi spettrofotometrica UV-visibile (accoppiata a test in bianco con gas inerti in luogo dell’azoto) che hanno permesso con successo di evitare contaminazioni da ammoniaca e identificare i falsi positivi, anche se tecniche analitiche più sofisticate sono sicuramente necessarie per confermare definitivamente la vera fonte di ammoniaca. Nel capitolo 4 viene presentata una serie di materiali MOF migliorati (MOF UiO-66-(COOH)2 a base di Fe o Fe e metalli alcalini), sintetizzati con la tecnica di reazione a scambio cationico per sostituire il protone dell'acido carbossilico con un catione di ferro. Rispetto ai materiali Fe@Zn/SIM-1, questa nuova classe di MOF è più stabile in acqua e non contiene atomi di azoto nella sua struttura. I risultati hanno dimostrato che il Fe@UiO-66-(COOH)2 ottenuto mediante l'80% di scambio cationico (con un contenuto effettivo di Fe di circa 8% in peso) è stato il miglior elettrocatalizzatore testato tra i vari materiali MOF a base di Fe sintetizzati. Le prestazioni nella NRR dipendono fortemente dal design della cella e dell'elettrodo. Più in dettaglio, è stato ottenuto un rendimento di ammoniaca di 1.19 μg•h-1•mgcat-2 con una configurazione di strati assemblati ed ordinati nel modo seguente: i) Nafion (la membrana), ii) MOF a base di Fe (l'elettrocatalizzatore), iii) il GDL (lo strato di diffusione gassosa a base di carbonio) e iv) un ulteriore strato di Fe-MOF. È stato anche esplorato l'effetto del voltaggio applicato, con un potenziale ottimale di -0.5 V vs RHE per massimizzare l'attività nella NRR e limitare la reazione collaterale di evoluzione dell'idrogeno. Inoltre, come attualmente utilizzato nei catalizzatori industriali per il processo Haber-Bosh, è stata studiata anche l'introduzione del potassio negli elettrocatalizzatori, al fine di facilitare il trasferimento di carica dagli ioni K- verso la superficie del catalizzatore a base di ferro, bilanciando il chemisorbimento dissociativo tra H2 e N2, e sopprimendo le reazioni collaterali, migliorandone così sia l'attività che la stabilità. I risultati ottenuti sono molto promettenti, anche se sono necessari ulteriori studi per migliorare le loro prestazioni nella NRR, per superare le limitazioni legate ai materiali MOF stessi, soprattutto a causa della loro bassa conducibilità e stabilità. Infine, il capitolo 5 si riferisce all'esplorazione di materiali avanzati, i MXeni (Ti3C2 MXeni), e al tentativo di sintetizzare una nanoarchitettura 3D partendo dalla loro forma bidimensionale. Per comprendere il ruolo della nanostruttura dei materiali MXeni nella NRR, “nanoribbons” (nano-nastri) di Ti3C2 sono stati trattati con KOH per ottenere una forma finale di strutture porose tridimensionali (3D). In particolare, l'obiettivo di questa parte di lavoro è stato quello di indagare come la conversione dei “nanoribbons” di Ti3C2 in strutture tridimensionali influenzi la reattività nella NRR condotta nel dispositivo elettrochimico in fase gassosa. È stata anche effettuata una caratterizzazione completa dei “nanoribbons” di MXeni (SEM, TEM, HRTEM, XRD, XPS e EDX). I risultati hanno mostrato che la nanostruttura tridimensionale porta ad un significativo miglioramento dell'attività di fissazione di N2 a causa della formazione di siti esposti di Ti-OH. È stata anche osservata una relazione lineare tra il tasso di formazione di ammoniaca e la quantità di ossigeno sulla superficie dei Ti3C2 MXeni.