Kører på tom:Ny overkommelig katalysator er afhængig af ledige nitrogenpladser til at producere ammoniak

Ammoniak (NH ₃ ) er et af de mest almindeligt producerede kemikalier på verdensplan, på grund af dets anvendelse som en vigtig ingrediens i en bred vifte af industrielle fremstillingsprocesser. For eksempel, det er afgørende i produktionen af ​​gødning, og over 150 millioner tons af det anvendes hvert år for at øge udbyttet af forskellige afgrøder. Ammoniak produceres naturligt af mange levende organismer, men syntetisere det kunstigt ved hjælp af nitrogen (N ₂ ) og hydrogen (H ₂ ) gasser er udfordrende, fordi den stærke binding mellem N -atomer er vanskelig at bryde.

Mens en metode til at fremstille NH ₃ i industriel skala, kaldet Haber-Bosch processen, har eksisteret siden begyndelsen af ​​det 20. århundrede, dagens bedst ydende tilgang involverer brugen af ​​ruthenium, et dyrt og sparsomt metal, som katalysator for at udløse de nødvendige reaktioner. For nylig, Prof Hideo Hosono og kolleger fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, har udviklet en ny strategi for at producere NH ₃ ved hjælp af lanthan (La), et meget mere rigeligt element, i kombination med nikkel (Ni).

I deres papir, udgivet i Natur , de forklarer, hvordan de hentede inspiration fra en tidligere rapporteret NH ₃ produktionskatalysator med formlen Co ₃ Mo ₃ N, som rummer ledige nitrogenpladser - steder, hvor tilstedeværelsen af ​​et nitrogenatom ville forventes, men som faktisk er tomme. Disse ledige stillinger blev observeret for at gøre opdelingen af ​​N ₂ molekyler lettere, hvilket førte Hosonos team ned i en ny udforskningsretning for lettere tilgængelig og effektiv NH ₃ syntesekatalysatorer. Han forklarer:"Den kritiske rolle for de ledige kvælstofstillinger i Co ₃ Mo ₃ N inspirerede os til at overveje andre nitrogenholdige materialer, hvor ledige pladser nemt kunne genereres som grundlag for nye Ni-baserede katalysatorer."

Katalysatoren, de udviklede, består af LaN-krystaller fyldt med Ni-nanopartikler. Ni adskiller let H ₂ til H-atomer. Dermed, forbehandling af katalysatoren med H ₂ genererer let H-atomer, som derefter reagerer med N-atomerne i krystalstrukturen og danner NH ₃ og opret N ledige stillinger på LaN -supporten. Hver af disse tomme steder fanger derefter et N-atom fra et N ₂ molekyle fra tilført nitrogengas, hvilket får molekylets N-N-binding til at svækkes. Et andet dissocieret H-atom bryder den svækkede N-N-binding for at producere mere NH ₃ , efterlader et N-atom for at udfylde den oprindelige ledige stilling. Disse cyklusser gentager sig selv, derved konstant generere nitrogen ledige pladser og opretholde synteseprocessen.

Dette koncept med en "dual active site"-katalysator viste sig at være meget lovende. Den foreslåede katalysators ydeevne overstiger langt mere konventionelle kobolt- og nikkel-baserede katalysatorer og kan sammenlignes med selv ruthenium-baserede:Den producerer ikke kun konsekvent høje udbytter af ammoniak ved moderat temperatur og tryk, dens struktur bibeholdes selv efter 100 timers kontinuerlig reaktion, demonstrerer sin høje stabilitet.

Hosono siger, "Vi forventer, at vores arbejde vil stimulere yderligere udforskning af katalysatordesign, der gør brug af mere rigelige elementer. Især, vores resultater illustrerer potentialet ved at bruge ledige steder i reaktionscyklusser og peger på et nyt designkoncept for katalysatorer til ammoniaksyntese. "

Den nye strategi kunne gøre produktionen af ​​ammoniak enklere og mere overkommelig, og dermed lette en lang række betydelige industrielle processer.