Effektiv bottom-up syntese af nyt perovskitmateriale til fremstilling af ammoniak

Perovskitter er en klasse af syntetiske materialer, der har en krystallinsk struktur, der ligner den af ​​det naturligt forekommende mineral calciumtitanat. De har været genstand for mange undersøgelser, fordi de udviser spændende og unikke egenskaber, der kan tunes efter deres sammensætning. En af deres potentielle anvendelser er som katalysatorer til syntese af ammoniak. Med andre ord, specifikke perovskitter kan placeres inde i et reaktionskammer med nitrogen og brint for at fremme reaktionen af ​​disse gasser til dannelse af ammoniak.

Ammoniak er et nyttigt stof, der kan anvendes til fremstilling af gødning og kunstige kemikalier, og endda som en ren energibærer i form af brint, som kan være nøglen til miljøvenlige teknologier. Imidlertid, der er forskellige udfordringer forbundet med selve syntesen af ​​ammoniak og perovskitter.

Syntesehastigheden for ammoniak er generelt begrænset af den høje energi, der kræves for at dissociere nitrogenmolekyler. Nogle forskere har haft en vis succes med at bruge ædle metaller som ruthenium. For nylig, perovskitter med nogle af deres oxygenatomer erstattet af hydrogen- og nitrogenioner er blevet udviklet som effektive katalysatorer til ammoniaksyntese. Imidlertid, den traditionelle syntese af perovskitter med sådanne substitutioner skal normalt udføres ved høj temperatur (over 800 grader Celsius) og over lange perioder (uger).

For at løse disse problemer, i en nylig undersøgelse udført på Tokyo Tech, en gruppe forskere ledet af prof. Masaaki Kitano udtænkte en ny metode til lavtemperatursyntese af en sådan oxygensubstitueret perovskit med det kemiske navn BaCeO _3-x N _y H _z og testede dens ydeevne som katalysator til at producere ammoniak. For at opnå dette, de lavede en innovativ ændring af perovskitsynteseprocessen. Anvendelsen af ​​bariumcarbonat og ceriumdioxid som prækursorer involverer en meget høj temperatur, som er påkrævet for at få dem til at kombinere til basisperovskitten, eller BaCeO ₃ , fordi bariumcarbonat er meget stabilt. Ud over, det er nødvendigt at erstatte oxygenatomerne med nitrogen- og hydrogenioner. På den anden side, holdet fandt, at forbindelsen bariumamid reagerer let med ceriumdioxid under ammoniakgasstrøm for direkte at danne BaCeO _3-x N _y H _z ved lave temperaturer og på kortere tid. "Dette er den første demonstration af en bottom-up syntese af et sådant materiale, benævnt perovskit-type oxynitrid-hydrid, " forklarer prof. Kitano.

Forskerne analyserede først strukturen af ​​perovskit opnået gennem den foreslåede proces og testede derefter dens katalytiske egenskaber for lavtemperatursyntese af ammoniak under forskellige forhold. Ikke alene overgik det foreslåede materiale de fleste af de avancerede konkurrenter, når det kombineres med ruthenium, men det overgik også dem alle, når det kombineres med billigere metaller som kobolt og jern. Dette repræsenterer enorme fordele med hensyn til både ydeevne og tilhørende omkostninger.

Endelig, forskerne forsøgte at belyse mekanismerne bag den forbedrede syntesehastighed for ammoniak. Samlet set, indsigten i denne undersøgelse tjener som en protokol for syntese af andre typer materialer med nitrogen- og hydrogenionsubstitutioner og for intelligent design af katalysatorer. "Vores resultater vil bane vejen for nye katalysatordesignstrategier for lavtemperaturammoniaksyntese, " konkluderer Prof. Kitano. Disse resultater vil forhåbentlig gøre syntesen af ​​nyttige materialer renere og mere energieffektiv.

Undersøgelsen er offentliggjort i Journal of American Chemical Society .