Adsorption and activation of dinitrogen (N2) is an indispensable process in nitrogen fixation. Metal nitride species continue to attract attention as a promising catalyst for ammonia synthesis. However, the detailed mechanisms at a molecular level between reactive nitride species and N2 remain unclear at elevated temperature, which is important to understand the temperature effect and narrow the gap between the gas phase system and condensed phase system. Herein, the 14N/15N isotopic exchange in the reaction between tantalum nitride cluster anions Ta314N3 and 15N2 leading to the regeneration of 14N2/14N15N was observed at elevated temperature (393−593 K) using mass spectrometry. With the aid of theoretical calculations, the exchange mechanism and the effect of temperature to promote the dissociation of N2 on Ta3N3 were elucidated. A comparison experiment for Ta314N4/15N2 couple indicated that only desorption of 15N2 from Ta314N415N2 took place at elevated temperature. The different exchange behavior can be well understood by the fact that nitrogen vacancy is a requisite for the dinitrogen activation over metal nitride species. This study may shed light on understanding the role of nitrogen vacancy in nitride species for ammonia synthesis and provide clues in designing effective catalysts for nitrogen fixation.

[1]
D. E.
Canfield
,
A. N.
Glazer
, and
P. G.
Falkowski
,
Science
330
,
192
(
2010
).
[2]
R.
Schlögl
,
Handbook of Heterogeneous Catalysis
, 2nd Edn.,
Weinheim
:
Wiley-VCH
, (
2008
).
[3]
M. D.
Fryzuk
and
S. A.
Johnson
,
Coord. Chem. Rev.
379
,
200
(
2000
).
[4]
R.
Schlogl
,
Angew. Chem. Int. Ed.
42
,
2004
(
2003
).
[5]
J. J.
Curley
,
T. R.
Cook
,
S. Y.
Reece
,
P.
Mller
, and
C. C.
Cummins
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
9394
(
2008
).
[6]
B. Y.
Lin
,
R.
Wang
,
J. X.
Lin
,
S. W.
Du
, and
K. M.
Wei
,
Prog. Chem.
19
,
1662
(
2007
).
[7]
P.
Avenier
,
M.
Taoufik
,
A.
Lesage
,
X.
Solans-Monfort
,
A.
Baudouin
,
A.
de Mallmann
,
L.
Veyre
,
J. M.
Basset
,
O.
Eisenstein
,
L.
Emsley
, and
E. A.
Quadrelli
,
Science
317
,
1056
(
2007
).
[8]
C.
Tang
and
S. Z.
Qiao
,
Chem. Soc. Rev.
48
,
3166
(
2019
).
[9]
Y.
Tanabe
and
Y.
Nishibayashi
,
Coord. Chem. Rev.
381
,
135
(
2019
).
[10]
C.
Liu
,
Q.
Li
,
C.
Wu
,
J.
Zhang
,
Y.
Jin
,
D. R.
MacFarlane
, and
C.
Sun
,
J. Am. Chem. Soc.
141
,
2884
(
2019
).
[11]
H.
Wang
,
J.
Li
,
K.
Li
,
Y.
Lin
,
J.
Chen
,
L.
Gao
,
V.
Nicolosi
,
X.
Xiao
, and
J. M.
Lee
,
Chem. Soc. Rev.
50
,
1354
(
2021
).
[12]
A. W.
Tricker
,
K. L.
Hebisch
,
M.
Buchmann
,
Y. H.
Liu
,
M.
Rose
,
E.
Stavitski
,
A. J.
Medford
,
M. C.
Hatzell
, and
C.
Sievers
,
ACS Energy Lett.
5
,
3362
(
2020
).
[13]
L.
Volpe
and
M.
Boudart
,
J. Phys. Chem.
90
,
4874
(
1986
).
[14]
R.
Michalsky
,
A. M.
Avram
,
B. A.
Peterson
,
P. H.
Pfromm
, and
A. A.
Peterson
,
Chem. Sci.
6
,
3965
(
2015
).
[15]
J. S. J.
Hargreaves
,
Appl. Petrochem. Res.
4
,
3
(
2014
).
[16]
N.
Shan
,
C.
Huang
,
R. T.
Lee
,
N.
Manavi
,
L.
Xu
,
V.
Chikan
,
P. H.
Pfromm
, and
B.
Liu
,
ChemCatChem
12
,
2233
(
2020
).
[17]
N.
Segal
and
F.
Sebba
,
J. Catal.
8
,
113
(
1967
).
[18]
B.
Liu
,
N.
Manavi
,
H.
Deng
,
C.
Huang
,
N.
Shan
,
V.
Chikan
, and
P.
Pfromm
,
J. Phys. Chem. Lett.
12
,
6535
(
2021
).
[19]
T. N.
Ye
,
S. W.
Park
,
Y.
Lu
,
J.
Li
,
M.
Sasase
,
M.
Kitano
, and
H.
Hosono
,
J. Am. Chem. Soc.
142
,
14374
(
2020
).
[20]
Z.
Qiao
,
D.
Johnson
, and
A.
Djire
,
Cell Rep. Phys. Sci.
2
,
100438
(
2021
).
[21]
R. A. J.
O’Hair
and
G. N.
Khairallah
,
J. Cluster Sci.
15
,
331
(
2004
).
[22]
H.
Schwarz
and
K. R.
Asmis
,
Chem. Eur. J.
25
,
2112
(
2019
).
[23]
S. M.
Lang
and
T. M.
Bernhardt
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
9255
(
2012
).
[24]
Y.
Gong
,
M.
Zhou
, and
L.
Andrews
,
Chem. Rev.
109
,
6765
(
2009
).
[25]
S.
Yin
and
E. R.
Bernstein
,
Int. J. Mass Spectrom.
321-322
,
49
(
2012
).
[26]
T.
Nagata
,
K.
Miyajima
,
R. A.
Hardy
,
G. F.
Metha
, and
F.
Mafuné
,
J. Phys. Chem. A
119
,
5545
(
2015
).
[27]
M. R.
Fagiani
,
X.
Song
,
S.
Debnath
,
S.
Gewinner
,
W.
Schöllkopf
,
K. R.
Asmis
,
F. A.
Bischoff
,
F.
Müller
, and
J.
Sauer
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
1272
(
2017
).
[28]
P. B.
Armentrout
,
Chem. Eur. J.
23
,
10
(
2017
).
[29]
Y. X.
Zhao
,
Z. Y.
Li
,
Y.
Yang
, and
S. G.
He
,
Acc. Chem. Res.
51
,
2603
(
2018
).
[30]
L. H.
Mou
,
Z. Y.
Li
,
Q. Y.
Liu
, and
S. G.
He
,
J. Am. Soc. Mass Spectrom.
30
,
1956
(
2019
).
[31]
L. H.
Mou
,
G. D.
Jiang
,
Z. Y.
Li
, and
S. G.
He
,
Chin. J. Chem. Phys.
33
,
507
(
2020
).
[32]
Z. Y.
Li
,
Y.
Li
,
L. H.
Mou
,
J. J.
Chen
,
Q. Y.
Liu
,
S. G.
He
, and
H.
Chen
,
J. Am. Chem. Soc.
142
,
10747
(
2020
).
[33]
X.
Cheng
,
Z. Y.
Li
,
L. H.
Mou
,
Y.
Ren
,
Q. Y.
Liu
,
X. L.
Ding
, and
S. G.
He
,
Chem. Eur. J.
25
,
16523
(
2019
).
[34]
H. J.
Himmel
and
M.
Reiher
,
Angew. Chem. Int. Ed.
45
,
6264
(
2006
).
[35]
C.
Geng
,
J.
Li
,
T.
Weiske
, and
H.
Schwarz
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
116
,
21416
(
2019
).
[36]
C.
Geng
,
J.
Li
,
T.
Weiske
, and
H.
Schwarz
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
115
,
11680
(
2018
).
[37]
L.
Manceron
,
O.
Hübner
, and
H. J.
Himmel
,
Eur. J. Inorg. Chem.
2009
,
595
(
2009
).
[38]
F.
Liu
,
M.
Li
,
L.
Tan
, and
P. B.
Armentrout
,
J. Chem. Phys.
128
,
194313
(
2008
).
[39]
S.
Dillinger
,
M. P.
Klein
,
A.
Steiner
,
D. C.
McDonald
,
M. A.
Duncan
,
M. M.
Kappes
, and
G.
Niedner-Schatteburg
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
914
(
2018
).
[40]
E. D.
Pillai
,
T. D.
Jaeger
, and
M. A.
Duncan
,
J. Phys. Chem. A
109
,
3521
(
2005
).
[41]
H.
Xie
,
L.
Shi
,
X.
Xing
, and
Z.
Tang
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
4444
(
2016
).
[42]
Q.
Wang
,
S.
Pan
,
S.
Lei
,
J.
Jin
,
G.
Deng
,
G.
Wang
,
L.
Zhao
,
M.
Zhou
, and
G.
Frenking
,
Nat. Commun.
10
,
3375
(
2019
).
[43]
L. H.
Mou
,
Y.
Li
,
Z. Y.
Li
,
Q. Y.
Liu
,
Y.
Ren
,
H.
Chen
, and
S. G.
He
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
9990
(
2020
).
[44]
G. D.
Jiang
,
L. H.
Mou
,
J. J.
Chen
,
Z. Y.
Li
, and
S. G.
He
,
J. Phys. Chem. A
124
,
7749
(
2020
).
[45]
S.
Dillinger
,
J.
Mohrbach
, and
G.
Niedner-Schatteburg
,
J. Chem. Phys.
147
,
184305
(
2017
).
[46]
Y.
Zhao
,
J. T.
Cui
,
M.
Wang
,
D. Y.
Valdivielso
,
A.
Fielicke
,
L. R.
Hu
,
X.
Cheng
,
Q. Y.
Liu
,
Z. Y.
Li
,
S. G.
He
, and
J. B.
Ma
,
J. Am. Chem. Soc.
141
,
12592
(
2019
).
[47]
G. D.
Jiang
,
Z. Y.
Li
,
L. H.
Mou
, and
S. G.
He
,
J. Phys. Chem. Lett.
12
,
9269
(
2021
).
[48]
Y. Y.
Wang
,
X. L.
Ding
,
J. I.
Gurti
,
Y.
Chen
,
X. Q.
Huang
,
W.
Li
, and
X.
Wang
,
ChemPhysChem
(
2021
)..
[49]
L. X.
Jiang
,
Q. Y.
Liu
,
X. N.
Li
, and
S. G.
He
,
J. Am. Soc. Mass Spectrom.
29
,
78
(
2018
).
[50]
F.
Mafuné
,
Y.
Tawaraya
, and
S.
Kudoh
,
J. Phys. Chem. A
120
,
4089
(
2016
).
[51]
B.
Cao
,
A. K.
Starace
,
O. H.
Judd
,
I.
Bhattacharyya
,
M. F.
Jarrold
,
J. M.
López
, and
A.
Aguado
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
12906
(
2010
).
[52]
B.
Cao
,
A. K.
Starace
,
O. H.
Judd
,
I.
Bhattacharyya
, and
M. F.
Jarrold
,
J. Chem. Phys.
141
,
204304
(
2014
).
[53]
Y. X.
Zhao
,
Z. Y.
Li
,
Z.
Yuan
,
X. N.
Li
, and
S. G.
He
,
Angew. Chem. Int. Ed.
53
,
9482
(
2014
).
[54]
Z.
Yuan
,
Y. X.
Zhao
,
X. N.
Li
, and
S. G.
He
,
Int. J. Mass Spectrom.
354
,
105
(
2013
).
[55]
Z.
Yuan
,
Z. Y.
Li
,
Z. X.
Zhou
,
Q. Y.
Liu
,
Y. X.
Zhao
, and
S. G.
He
,
J. Phys. Chem. C
118
,
14967
(
2014
).
[56]
X. N.
Wu
,
B.
Xu
,
J. H.
Meng
, and
S. G.
He
,
Int. J. Mass Spectrom.
310
,
57
(
2012
).
[57]
M. J.
Frisch
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
X.
Li
,
M.
Caricato
,
A. V.
Marenich
,
J.
Bloino
,
B. G.
Janesko
,
R.
Gomperts
,
B.
Mennucci
,
H. P.
Hratchian
,
J. V.
Ortiz
,
A. F.
Izmaylov
,
J. L.
Sonnenberg
,
D.
Williams-Young
,
F.
Ding
,
F.
Lipparini
,
F.
Egidi
,
J.
Goings
,
B.
Peng
,
A.
Petrone
,
T.
Henderson
,
D.
Ranasinghe
,
V. G.
Zakrzewski
,
J.
Gao
,
N.
Rega
,
G.
Zheng
,
W.
Liang
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
K.
Throssell
,
J. A.
Montgomery
 Jr.
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M. J.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E. N.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
T. A.
Keith
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A. P.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
C.
Adamo
,
R.
Cammi
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
O.
Farkas
,
J. B.
Foresman
, and
D. J.
Fox
,
Gaussian 16, Revision A.03
,
Wallingford CT
:
Gaussian Inc.
, (
2016
).
[58]
C. T.
Lee
,
W. T.
Yang
, and
R. G.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
(
1988
).
[59]
A. D.
Becke
,
Phys. Rev. A
38
,
3098
(
1988
).
[60]
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
5648
(
1993
).
[61]
R.
Krishnan
,
J. S.
Binkley
,
R.
Seeger
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
72
,
650
(
1980
).
[62]
F.
Weigend
and
R.
Ahlrichs
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
7
,
3297
(
2005
).
[63]
D.
Andrae
,
U.
Häußermann
,
M.
Dolg
,
H.
Stoll
, and
H.
Preuß
,
Theor. Chim. Acta
77
,
123
(
1990
).
[64]
C.
Gonzalez
and
H. B.
Schlegel
,
J. Chem. Phys.
90
,
2154
(
1989
).
[65]
C.
Gonzalez
and
H. B.
Schlegel
,
J. Phys. Chem.
94
,
5523
(
1990
).
[66]
J. I.
Steinfeld
,
J. S.
Francisco
, and
W. L.
Hase
,
Chemical Kinetics and Dynamics
, 2nd Edn.,
Upper Saddle River
:
Prentice Hall
, (
1999
).
[67]
T.
Beyer
and
D. F.
Swinehart
,
Commun. ACM
16
,
379
(
1973
).
[68]
G.
Kummerlöwe
and
M. K.
Beyer
,
Int. J. Mass Spectrom.
244
,
84
(
2005
).
[69]
A.
Daisley
,
L.
Costley-Wood
, and
J. S. J.
Hargreaves
,
Top. Catal.
64
,
1021
(
2021
).
[70]
F.
Chang
,
W.
Gao
,
J.
Guo
, and
P.
Chen
,
Adv. Mater.
33
,
2005721
(
2021
).
[71]
V. S.
Marakatti
and
E. M.
Gaigneaux
,
ChemCatChem
12
,
5838
(
2020
).
[72]
S. M.
Hunter
,
D. H.
Gregory
,
J. S. J.
Hargreaves
,
M.
Richard
,
D.
Duprez
, and
N.
Bion
,
ACS Catal.
3
,
1719
(
2013
).
This content is only available via PDF.
You do not currently have access to this content.