Ammoniaksyntese gjort let med 2-D katalysator

Rice University-forskere har udviklet en uorganisk metode til at syntetisere ammoniak, der både er miljøvenlig og kan producere det værdifulde kemikalie efter behov under omgivende forhold.

Brown School of Engineerings laboratorium af materialeforsker Jun Lou manipulerede en todimensionel krystal, den forstår godt - molybdændisulfid - og forvandlede den til en katalysator ved at fjerne svovlatomer fra den gitterlignende struktur og erstatte det blottede molybdæn med kobolt.

Dette gjorde det muligt for materialet at efterligne den naturlige organiske proces, som bakterier bruger til at omdanne atmosfærisk dinitrogen til ammoniak i organismer, herunder hos mennesker, der bruger ammoniak til at hjælpe leverfunktionen.

Den uorganiske proces vil gøre det muligt at producere ammoniak overalt, hvor det er nødvendigt som et supplement til industrien i lille skala, som producerer millioner af tons af kemikaliet hvert år gennem den uorganiske Haber-Bosch-proces.

Forskningen er beskrevet i Journal of the American Chemical Society .

"Haber-Bosch-processen producerer meget kuldioxid og forbruger meget energi, " sagde co-lead forfatter og Rice kandidatstuderende Xiaoyin Tian. "Men vores proces bruger elektricitet til at udløse katalysatoren. Det kan vi få fra sol eller vind. "

Forskerne vidste allerede, at molybdændisulfid havde en affinitet til at binde med dinitrogen, et naturligt forekommende molekyle af to stærkt bundne nitrogenatomer, der udgør omkring 78 % af Jordens atmosfære.

Beregningssimuleringer af Mingjie Liu, en forskningsmedarbejder ved Brookhaven National Laboratory, viste udskiftning af nogle udsatte molybdænatomer med kobolt ville forbedre forbindelsens evne til at lette dinitrogens reduktion til ammoniak.

Laboratorietest hos Rice viste, at det var sådan. Forskerne samlede prøver af materialet i nanoskala ved at dyrke defekte molybdændisulfidkrystaller på kulstofstof og tilføje kobolt. (Krystallerne er teknisk set 2-D, men fremstår som et plan af molybdænatomer med lag af svovl over og under.) Med strøm påført, forbindelsen gav mere end 10 gram ammoniak pr. time ved anvendelse af 1 kg katalysator.

"Skalaen kan ikke sammenlignes med veludviklede industrielle processer, men det kan være et alternativ i specifikke tilfælde, " sagde medforfatter Jing Zhang, en postdoc-forsker ved Rice. "Det vil tillade produktion af ammoniak, hvor der ikke er noget industrielt anlæg, og endda i rumapplikationer. "Han sagde, at laboratorieforsøg brugte dedikerede foderstoffer med dinitrogen, men platformen kan lige så nemt trække den fra luften.

Lou sagde, at andre dopingstoffer kan tillade materialet at katalysere andre kemikalier, et emne for fremtidige studier. "Vi troede, at der var en mulighed her for at tage noget, vi er meget fortrolige med, og prøve at gøre, hvad naturen har gjort i milliarder af år, " sagde han. "Hvis vi designer en reaktor på den rigtige måde, platformen kan udføre sin funktion uden afbrydelse."