Meget effektiv ammoniaksyntesekatalysator udviklet

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har opdaget, at en katalysator af calciumamid med en lille mængde tilsat barium (Ba-Ca (NH ₂ ) ₂ ) med ruthenium -nanopartikler immobiliseret på det, kan syntetisere ammoniak med en effektivitet 100 gange større end konventionelle rutheniumkatalysatorer ved lave temperaturer under 300 ° C. Ydelsen af ​​denne katalysator er også flere gange højere sammenlignet med jernkatalysatorer, der i øjeblikket anvendes industrielt.

Ammoniak er en rå ingrediens til nitrogengødning og er en nøgle til fødevareproduktion. Et ammoniakmolekyle er et nitrogenatom bundet med tre hydrogenatomer. Som resultat, ammoniak er et stof med et meget højt hydrogenindhold for sin masse. Fordi det bliver en væske ved stuetemperatur ved et tryk på 10 atmosfærer, det er også en energibærer for brint, energikilden til teknologier såsom brændselsceller.

Haber-Bosch-processen, den nuværende industrielle ammoniaksyntesemetode (etableret i 1913) anvender en katalysator, der hovedsageligt er fremstillet af jern og kræver høje temperaturer (400 til 500ºC) og høje tryk (100 til 300 atm). For at opfylde disse betingelser, ammoniak produceres i store mængder dedikerede fabrikker og derefter transporteret til fabrikker, hvor det bruges til industrielle processer. Der har længe været efterspørgsel efter produktion på stedet, hvor den nødvendige mængde ammoniak kan syntetiseres, hvor det er påkrævet, i modsætning til den konventionelle storstilede proces.

Forskergruppen Tokyo Tech for professor Hideo Hosono, Professor Michikazu Hara, Lektor Masaaki Kitano og andre opdagede en ammoniaksyntesekatalysator, der fungerer ved høj effektivitet ved lave temperaturer. De opdagede, at en katalysator af calciumamid med en lille mængde tilsat barium (Ba-Ca (NH ₂ ) ₂ ) med ruthenium -nanopartikler immobiliseret på den udviser katalytisk aktivitet 100 gange større end den for konventionelle rutheniumkatalysatorer ved lave temperaturer under 300 ° C. Yderligere, katalysatorens katalytiske ydeevne er også flere gange højere sammenlignet med jernkatalysatorer, der anvendes industrielt (figur 1).

Et rutheniumacetylacetonatkompleks bruges som råmateriale til ruthenium. Ved opvarmning af et pulver blandet med Ba-Ca (NH ₂ ) ₂ til 400ºC i en brintatmosfære, et tyndt bariumlag dannes på ruthenium -nanopartikler med en størrelse på cirka 3 nm, som porøst calciumamid dannes samtidigt (figur 2). Overfladearealet af Ba-Ca (NH ₂ ) ₂ , råmaterialet til katalysatoren, er kun omkring 17 m ² /g. Imidlertid, da katalysatoren bliver porøs ved opvarmning til 400ºC i hydrogen med rutheniumkilden, gruppen fandt ud af, at overfladearealet udvider sig til cirka 100 m ² /g. Yderligere, bariumbestanddelen tilsat calciumamiden bevæger sig til katalysatorens overflade under denne varmebehandling og danner et tyndt lag ved at dække ruthenium -nanopartiklerne. Gruppen opdagede, at dette er en unik katalysator, med sådanne aktive strukturer, der dannes på en selvorganiseret måde og forbliver stabile under hele reaktionen. Katalysatoren udviklet i denne forskning udviser den højeste ammoniaksynteseaktivitet ved lave temperaturer af enhver fast katalysator rapporteret i de seneste år.

Katalysatoren, der er udviklet i denne forskning, overgår langt grænserne for eksisterende katalytiske materialer i dens ammoniaksynteseaktivitet og vil bidrage betydeligt til at reducere energi, der bruges til ammoniaksynteseprocessen. På grund af dette, videreudvikling af denne teknologi forventes at føre til en ny processtruktur for syntese på stedet af ammoniak.