Liquefied Sunshine: Transforming Renewables into Fertilizers and Energy Carriers with Electromaterials.
ammonia
carbon dioxide reduction
energy conversion
nitrogen fixation
water splitting
Journal
Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.)
ISSN: 1521-4095
Titre abrégé: Adv Mater
Pays: Germany
ID NLM: 9885358
Informations de publication
Date de publication:
May 2020
May 2020
Historique:
received:
26
07
2019
revised:
30
09
2019
pubmed:
26
11
2019
medline:
26
11
2019
entrez:
26
11
2019
Statut:
ppublish
Résumé
It has become apparent that renewable energy sources are plentiful in many, often remote, parts of the world, such that storing and transporting that energy has become the key challenge. For long-distance transportation by pipeline and bulk tanker, a liquid form of energy carrier is ideal, focusing attention on liquid hydrogen and ammonia. Development of high-activity and selectivity electrocatalyst materials to produce these energy carriers by reductive electrochemistry has therefore become an important area of research. Here, recent developments and challenges in the field of electrocatalytic materials for these processes are discussed, including the hydrogen evolution reaction (HER), the oxygen evolution reaction (OER), and the nitrogen reduction reaction (NRR). Some of the mis-steps currently plaguing the nitrogen reduction to ammonia field are highlighted. The rapidly growing roles that in situ/operando and quantum chemical studies can play in new electromaterials discovery are also surveyed.
Identifiants
pubmed: 31762106
doi: 10.1002/adma.201904804
doi:
Types de publication
Journal Article
Review
Langues
eng
Sous-ensembles de citation
IM
Pagination
e1904804Subventions
Organisme : ARC
ID : DE180100215
Organisme : ARC
ID : DP170102267
Organisme : Laureate Fellowships
Organisme : Australian Renewable Energy Agency
ID : AS008
Organisme : Australian Renewable Energy Agency
ID : DM015
Organisme : Australian Research Council
ID : CE140100012
Informations de copyright
© 2019 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.
Références
Global Normal Solar Insolation, http://globalsolaratlas.info/downloads (accessed: June 2019).
J. Jia, L. C. Seitz, J. D. Benck, Y. Huo, Y. Chen, J. W. D. Ng, T. Bilir, J. S. Harris, T. F. Jaramillo, Nat. Commun. 2016, 7, 13237.
M. Dolan, in 2017 AIChE Annual Meeting, American Institute of Chemical Engineers (AIChE), New York; https://www.aiche.org/conferences/aiche-annual-meeting/2017/proceeding/paper/618c-delivering-clean-hydrogen-fuel-ammonia-using-metal-membranes.
B. H. R. Suryanto, H.-L. Du, D. Wang, J. Chen, A. N. Simonov, D. R. MacFarlane, Nat. Catal. 2019, 2, 290.
S. Z. Andersen, V. Čolić, S. Yang, J. A. Schwalbe, A. C. Nielander, J. M. McEnaney, K. Enemark-Rasmussen, J. G. Baker, A. R. Singh, B. A. Rohr, M. J. Statt, S. J. Blair, S. Mezzavilla, J. Kibsgaard, P. C. K. Vesborg, M. Cargnello, S. F. Bent, T. F. Jaramillo, I. E. L. Stephens, J. K. Nørskov, I. Chorkendorff, Nature 2019, 570, 504.
C. Xiao, X. Zhang, D. R. MacFarlane, Electrochim. Acta 2018, 280, 55.
N. Corbin, J. Zeng, K. Williams, K. Manthiram, Nano Res. 2019, 12, 2093.
C. Costentin, J.-M. Savéant, Curr. Opin. Electrochem. 2019, 15, 58.
J. H. Zagal, S. Griveau, J. F. Silva, T. Nyokong, F. Bedioui, Coord. Chem. Rev. 2010, 254, 2755.
J.-W. Wang, W.-J. Liu, D.-C. Zhong, T.-B. Lu, Coord. Chem. Rev. 2019, 378, 237.
R. Matheu, M. Z. Ertem, C. Gimbert-Suriñach, X. Sala, A. Llobet, Chem. Rev. 2019, 119, 3453.
K. S. Joya, Y. F. Joya, K. Ocakoglu, R. van de Krol, Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 10426;
Angew. Chem. 2013, 125, 10618.
M. L. Pegis, C. F. Wise, D. J. Martin, J. M. Mayer, Chem. Rev. 2018, 118, 2340.
A. Badalyan, S. S. Stahl, Nature 2016, 535, 406.
F. Franco, S. Fernandez, J. Lloret-Fillol, Curr. Opin. Electrochem. 2019, 15, 109.
C. Costentin, S. Drouet, M. Robert, J.-M. Savéant, Science 2012, 338, 90.
J. Choi, T. M. Benedetti, R. Jalili, A. Walker, G. G. Wallace, D. L. Officer, Chem. - Eur. J. 2016, 22, 14158.
C. Costentin, M. Robert, J.-M. Savéant, Curr. Opin. Electrochem. 2017, 2, 26.
R. M. Bullock, A. K. Das, A. M. Appel, Chem. - Eur. J. 2017, 23, 7626.
D. Micheroni, G. Lan, W. Lin, J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 15591.
J. Meng, H. Lei, X. Li, J. Qi, W. Zhang, R. Cao, ACS Catal. 2019, 9, 4551.
J. Choi, P. Wagner, S. Gambhir, R. Jalili, D. R. MacFarlane, G. G. Wallace, D. L. Officer, ACS Energy Lett. 2019, 4, 666.
J. Choi, P. Wagner, R. Jalili, J. Kim, D. R. MacFarlane, G. G. Wallace, D. L. Officer, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801280.
J. Choi, J. Kim, P. Wagner, S. Gambhir, R. Jalili, S. Byun, S. Sayyar, Y. M. Lee, D. R. MacFarlane, G. G. Wallace, Energy Environ. Sci. 2019, 12, 747.
C. J. Kaminsky, J. Wright, Y. Surendranath, ACS Catal. 2019, 9, 3667.
X. Zhang, Z. Wu, X. Zhang, L. Li, Y. Li, H. Xu, X. Li, X. Yu, Z. Zhang, Y. Liang, Nat. Commun. 2017, 8, 14675.
C. Costentin, H. Dridi, J.-M. Savéant, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 13535.
M. Zhu, R. Ye, K. Jin, N. Lazouski, K. Manthiram, ACS Energy Lett. 2018, 3, 1381.
J. Mizuguchi, J. Phys. Chem. A 2001, 105, 10719.
L. Qu, Y. Liu, J.-B. Baek, L. Dai, ACS Nano 2010, 4, 1321.
C. C. L. McCrory, S. Jung, I. M. Ferrer, S. M. Chatman, J. C. Peters, T. F. Jaramillo, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4347.
B. Hinnemann, P. G. Moses, J. Bonde, K. P. Jørgensen, J. H. Nielsen, S. Horch, I. Chorkendorff, J. K. Nørskov, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 5308.
A. Sobczynski, J. Catal. 1991, 131, 156.
S. Anantharaj, S. R. Ede, K. Sakthikumar, K. Karthick, S. Mishra, S. Kundu, ACS Catal. 2016, 6, 8069.
J. Hu, B. Huang, C. Zhang, Z. Wang, Y. An, D. Zhou, H. Lin, M. K. H. Leung, S. Yang, Energy Environ. Sci. 2017, 10, 593.
M. Chatti, T. Gengenbach, R. King, L. Spiccia, A. N. Simonov, Chem. Mater. 2017, 29, 3092.
M.-R. Gao, M. K. Y. Chan, Y. Sun, Nat. Commun. 2015, 6, 7493.
Y. Han, M. Chatti, Y. Ge, C. Wang, Y. Chao, A. N. Simonov, G. G. Wallace, ChemElectroChem 2019, 6, 2338.
M. Chatti, A. M. Glushenkov, T. Gengenbach, G. P. Knowles, T. C. Mendes, A. V. Ellis, L. Spiccia, R. K. Hocking, A. N. Simonov, Sustainable Energy Fuels 2018, 2, 1561.
R. B. N. Baig, R. S. Varma, Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 1559.
Y. Zang, S. Niu, Y. Wu, X. Zheng, J. Cai, J. Ye, Y. Xie, Y. Liu, J. Zhou, J. Zhu, X. Liu, G. Wang, Y. Qian, Nat. Commun. 2019, 10, 1217.
A.-M. Alexander, J. S. J. Hargreaves, Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 4388.
N. P. Sweeny, C. S. Rohrer, O. W. Brown, J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 799.
S. Carenco, D. Portehault, C. Boissière, N. Mézailles, C. Sanchez, Chem. Rev. 2013, 113, 7981.
A. B. Laursen, K. R. Patraju, M. J. Whitaker, M. Retuerto, T. Sarkar, N. Yao, K. V. Ramanujachary, M. Greenblatt, G. C. Dismukes, Energy Environ. Sci. 2015, 8, 1027.
Y. Lee, J. Suntivich, K. J. May, E. E. Perry, Y. Shao-Horn, J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 399.
J. H. Montoya, L. C. Seitz, P. Chakthranont, A. Vojvodic, T. F. Jaramillo, J. K. Nørskov, Nat. Mater. 2017, 16, 70.
M. S. Faber, S. Jin, Energy Environ. Sci. 2014, 7, 3519.
I. Roger, M. A. Shipman, M. D. Symes, Nat. Rev. Chem. 2017, 1, 0003.
J. Suntivich, K. J. May, H. A. Gasteiger, J. B. Goodenough, Y. Shao-Horn, Science 2011, 334, 1383.
B. Zhang, X. Zheng, O. Voznyy, R. Comin, M. Bajdich, M. García-Melchor, L. Han, J. Xu, M. Liu, L. Zheng, F. P. García de Arquer, C. T. Dinh, F. Fan, M. Yuan, E. Yassitepe, N. Chen, T. Regier, P. Liu, Y. Li, P. De Luna, A. Janmohamed, H. L. Xin, H. Yang, A. Vojvodic, E. H. Sargent, Science 2016, 352, 333.
B. R. Wygant, K. Kawashima, C. B. Mullins, ACS Energy Lett. 2018, 3, 2956.
M. Carmo, D. L. Fritz, J. Mergel, D. Stolten, Int. J. Hydrogen Energy 2013, 38, 4901.
I. A. Moreno-Hernandez, C. A. MacFarland, C. G. Read, K. M. Papadantonakis, B. S. Brunschwig, N. S. Lewis, Energy Environ. Sci. 2017, 10, 2103.
X. Li, D. Pletcher, F. C. Walsh, Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 3879.
L. C. Seitz, C. F. Dickens, K. Nishio, Y. Hikita, J. Montoya, A. Doyle, C. Kirk, A. Vojvodic, H. Y. Hwang, J. K. Norskov, T. F. Jaramillo, Science 2016, 353, 1011.
S. Geiger, O. Kasian, M. Ledendecker, E. Pizzutilo, A. M. Mingers, W. T. Fu, O. Diaz-Morales, Z. Li, T. Oellers, L. Fruchter, A. Ludwig, K. J. J. Mayrhofer, M. T. M. Koper, S. Cherevko, Nat. Catal. 2018, 1, 508.
M. W. Kanan, D. G. Nocera, Science 2008, 321, 1072.
M. Chatti, J. L. Gardiner, M. Fournier, B. Johannessen, T. Williams, T. R. Gengenbach, N. Pai, C. Nguyen, D. R. MacFarlane, R. K. Hocking, A. N. Simonov, Nat. Catal. 2019, 2, 457.
S. Licht, B. Cui, B. Wang, F.-F. Li, J. Lau, S. Liu, Science 2014, 345, 637.
M. Van Damme, L. Clarisse, S. Whitburn, J. Hadji-Lazaro, D. Hurtmans, C. Clerbaux, P.-F. Coheur, Nature 2018, 564, 99.
H.-L. Du, T. R. Gengenbach, R. Hodgetts, D. R. MacFarlane, A. N. Simonov, ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 6839.
B. Hu, M. Hu, L. Seefeldt, T. L. Liu, ACS Energy Lett. 2019, 4, 1053.
A. C. Nielander, J. M. McEnaney, J. A. Schwalbe, J. G. Baker, S. J. Blair, L. Wang, J. G. Pelton, S. Z. Andersen, K. Enemark-Rasmussen, V. Čolić, S. Yang, S. F. Bent, M. Cargnello, J. Kibsgaard, P. C. K. Vesborg, I. Chorkendorff, T. F. Jaramillo, ACS Catal. 2019, 9, 5797.
C. Tang, S.-Z. Qiao, Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 3166.
R. Dabundo, M. F. Lehmann, L. Treibergs, C. R. Tobias, M. A. Altabet, P. H. Moisander, J. Granger, PLoS One 2014, 9, e110335.
F. Zhou, L. M. Azofra, M. Ali, M. Kar, A. N. Simonov, C. McDonnell-Worth, C. Sun, X. Zhang, D. R. MacFarlane, Energy Environ. Sci. 2017, 10, 2516.
C. S. M. Kang, X. Zhang, D. R. MacFarlane, J. Phys. Chem. C 2018, 122, 24550.
B. H. R. Suryanto, D. Wang, L. M. Azofra, M. Harb, L. Cavallo, R. Jalili, D. R. G. Mitchell, M. Chatti, D. R. MacFarlane, ACS Energy Lett. 2019, 4, 430.
C. S. M. Kang, D. R. MacFarlane, J. Phys. Chem. C 2019, 123, 21376.
Y. Zhang, A. N. Simonov, J. Zhang, A. M. Bond, Curr. Opin. Electrochem. 2018, 10, 72.
A. M. Bond, D. Elton, S.-X. Guo, G. F. Kennedy, E. Mashkina, A. N. Simonov, J. Zhang, Electrochem. Commun. 2015, 57, 78.
A. N. Simonov, G. P. Morris, E. A. Mashkina, B. Bethwaite, K. Gillow, R. E. Baker, D. J. Gavaghan, A. M. Bond, Anal. Chem. 2016, 88, 4724.
A. M. Bond, E. A. Mashkina, A. N. Simonov, in Developments in Electrochemistry, (Eds: D. Pletcher, Z. Q. Tian, D. Williams), John Wiley & Sons, Ltd., Hoboken, NJ, USA 2014, pp. 21-47.
S. A. Bonke, A. M. Bond, L. Spiccia, A. N. Simonov, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 16095.
M. Robinson, A. N. Simonov, J. Zhang, A. M. Bond, D. Gavaghan, Anal. Chem. 2019, 91, 1944.
D. J. Gavaghan, J. C. Cooper, A. C. Daly, C. Gill, K. Gillow, M. Robinson, A. N. Simonov, J. Zhang, A. M. Bond, ChemElectroChem 2018, 5, 917.
G. P. Morris, A. N. Simonov, E. A. Mashkina, R. Bordas, K. Gillow, R. E. Baker, D. J. Gavaghan, A. M. Bond, Anal. Chem. 2013, 85, 11780.
Z. Pavlovic, C. Ranjan, M. van Gastel, R. Schlögl, Chem. Commun. 2017, 53, 12414.
In-Situ Spectroscopic Studies of Adsorption at the Electrode and Electrocatalysis, (Eds: S.-G. Sun, P. A. Christensen, A. Wieckowski), Elsevier Science B.V., Amsterdam The Netherlands 2007.
A. D. Handoko, F. Wei, Jenndy, B. S. Yeo, Z. W. Seh, Nat. Catal. 2018, 1, 922.
T. Reier, H. N. Nong, D. Teschner, R. Schlögl, P. Strasser, Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1601275.
M. Tesch, S. Bonke, T. Jones, M. Shaker, J. Xiao, K. Skorupska, R. Mom, J. Melder, P. Kurz, A. Knop-Gericke, R. Schlögl, R. Hocking, A. N. Simonov, Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 3426;
Angew. Chem. 2019, 58, 3464.
V. Pfeifer, T. E. Jones, J. J. Velasco Vélez, R. Arrigo, S. Piccinin, M. Hävecker, A. Knop-Gericke, R. Schlögl, Chem. Sci. 2017, 8, 2143.
I. Spanos, A. A. Auer, S. Neugebauer, X. Deng, H. Tüysüz, R. Schlögl, ACS Catal. 2017, 7, 3768.
D. Wang, L. M. Azofra, M. Harb, L. Cavallo, X. Zhang, B. H. R. Suryanto, D. R. MacFarlane, ChemSusChem 2018, 11, 3416.
B. H. R. Suryanto, C. S. M. Kang, D. Wang, C. Xiao, F. Zhou, L. M. Azofra, L. Cavallo, X. Zhang, D. R. MacFarlane, ACS Energy Lett. 2018, 3, 1219.
G. Rostamikia, A. J. Mendoza, M. A. Hickner, M. J. Janik, J. Power Sources 2011, 196, 9228.
G. Rostamikia, S. Maheshwari, M. J. Janik, Catal. Sci. Technol. 2019, 9, 174.
T. Cheng, H. Xiao, W. A. Goddard, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13802.
M. Kitano, S. Kanbara, Y. Inoue, N. Kuganathan, P. V. Sushko, T. Yokoyama, M. Hara, H. Hosono, Nat. Commun. 2015, 6, 6731.
H. A. Aleksandrov, S. M. Kozlov, S. Schauermann, G. N. Vayssilov, K. M. Neyman, Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 13371;
Angew. Chem. 2014, 126, 13589.
C. Shi, H. A. Hansen, A. C. Lausche, J. K. Nørskov, Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 4720.
Y. Wang, M.-M. Shi, D. Bao, F.-L. Meng, Q. Zhang, Y.-T. Zhou, K.-H. Liu, Y. Zhang, J.-Z. Wang, Z.-W. Chen, D.-P. Liu, Z. Jiang, M. Luo, L. Gu, Q.-H. Zhang, X.-Z. Cao, Y. Yao, M.-H. Shao, Y. Zhang, X.-B. Zhang, J. G. Chen, J.-M. Yan, Q. Jiang, Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 9464;
Angew. Chem. 2019, 131, 9564.