Ammoniaksyntese gennem elektroreduktion af nitrogen på sorte fosfor nanosheets

Mere end 100 år efter introduktionen af ​​Haber -Bosch -processen, forskere fortsætter med at søge efter alternative ammoniakproduktionsruter, der er mindre energikrævende. Kinesiske forskere har nu opdaget, at sort fosfor er en glimrende katalysator for elektroreduktion af nitrogen til ammoniak. Ifølge deres undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie , lagdelt sort fosfor nanosheet er en yderst selektiv og effektiv katalysator i denne proces.

Ammoniak er en vigtig råvare i alle industriområder, fra landbrug til finkemikalier og medicinalindustrien. I mere end et århundrede, det er blevet syntetiseret industrielt ved Haber -Bosch -processen, hvor nitrogen fra luft reduceres med hydrogen eller syntesegas under højt tryk og temperatur over en overgangsmetalkatalysator. Imidlertid, energibehovet ved denne proces er så højt, at en til to procent af den globale energiforsyning er afsat til industriel produktion af ammoniak.

Forskere leder efter mildere alternativer, som anvender katalysatorer, der fungerer under omgivelsesbetingelser. Metallfrie alternativer er især ønskelige. En meget interessant kandidat er fosfor i sin laveste reaktivitet, ikke -toksisk form:sort fosfor. Dette materiale er en stigende stjerne i elektroniske applikationer på grund af dets metalliske udseende og usædvanlige elektroniske egenskaber. I øvrigt, dens rynkede todimensionale arklignende struktur kan tilvejebringe de nødvendige kanter og steder til adsorption og molekylær aktivering.

Med denne idé i tankerne, forsker Haihui Wang ved South China University of Technology, Guangzhou, Kina, og kolleger, tilberedt tynde lag af sort fosfor i bulk, "ved en let flydende eksfolieringsmetode, "som angivet i deres publikation. Katalysator -nanosheets blev inkluderet i en kulfiberelektrode til elektrolyse. For at tilvejebringe en nitrogenforsyning, en hydrochloridelektrolytopløsning blev mættet med nitrogen.

Ved påføring af en spænding, elektroden producerede let og selektivt ammoniak fra nitrogen, og det lagdelte sorte fosfor endda overgik "de fleste ikke-metalliske og metalbaserede katalysatorer rapporteret i øjeblikket, "tilføjede forfatterne. Dette materialets ekstraordinære aktivitet og selektivitet forklares med fosforarkernes struktur og energi.

Hvad er så specielt ved fosfor? Med teoretiske beregninger, forfatterne fandt ud af, at zigzag -arrangementet i fosforlagene, i modsætning til andre lagdelte eller flade materialer, gav ideelle steder til nitrogenadsorption og den elektroniske struktur ved kanterne var bedst egnet til binding, aktivering, og reducere kvælstof ved en lavenergibane.

Efter at have forklaret den ekstraordinære aktivitet og selektivitet af den lagdelte sorte fosforkatalysator, forfatterne indrømmede, at - trods den generelt gode stabilitet af sort fosfor under omgivelsesbetingelser - faldt dets ydeevne på lang sigt på grund af oxidation. "Dermed, yderligere forbedringer med hensyn til at forhindre nedbrydning af sort fosfor i elektrolytten vil være fordelagtigt, "konkluderede de.

Dette værk åbner op for en ny og attraktiv anvendelse for sort fosfor. Ved elektrokatalytisk nitrogenreduktion, ydeevnen af ​​sort fosfor er overlegen i forhold til andre ikke -metalliske og endda metalliske katalysatorer, tyder på, at dette materiale snart kan spille en større rolle i elektrokatalyse. I tide, måske endda Haber – Bosch -processen vil have en konkurrent.