Haber-Bosch på atomskala

Industriel produktion af NH₃ er blevet udført af Haber-Bosch-processen i mere end 100 år, hvor dissociation af N₂ råstofmolekyler fremmet af alkaliatom-co-katalysator menes at være det hastighedsbegrænsende trin. Haber-Bosch syntesen forbruger 1 % af verdens samlede energiforbrug og tegner sig for 1,4 % af den globale CO₂ emissioner. Derfor giver atomskalaen indsigt i K-atomet-N₂ molekyleinteraktioner på metalsubstrater og specifikt alkali-atomfremmekemien har global betydning.

Forskere ved University of Pittsburgh har sammen med teoretiske samarbejdspartnere ved University of Science and Technology of China undersøgt Haber-Bosch-katalyseprækursoren på atomskala.

I forskningsartikel, der skal publiceres i Cell Reports Physical Science den 21. april 2022 var forskerne, ledet af Hrvoje Petek ved University of Pittsburgh, i stand til direkte at observere på atomare skala ved scanning tunneling mikroskopi N₂ adsorption, deres kollektive interaktioner og tunnelering af elektron-induceret N₂ desorptionsprocesser, der er relateret til alkalifremme af NH₃ syntese.

Den dominerende parvise interaktion mellem K og N₂ er en elektrostatisk, to-centeret Coulomb-attraktion, hvor ladning overføres fra K til N₂ svækker N₂ molekylebinding mod dets dissociation i Haber-Bosch-syntesen. K-N₂ interaktioner fortolket gennem tæthedsfunktionel teori er i overensstemmelse med de eksperimentelle observationer.

Undersøgelserne afslører de primære interaktioner, såvel som begyndelsen af ​​korreleret kompleksitet, der definerer alkaliatomfremme af katalytisk kemi. + Udforsk yderligere

ESR-STM på enkelte molekyler og molekylebaserede strukturer