Fyldning af hulrummet i ammoniaksyntese:Nitrogenniveauernes rolle i katalysatorer

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) undersøger, hvordan kvælstofleger i katalysatorer deltager i syntesen af ​​ammoniak, et centralt kemikalie i gødningsindustrien. De udtænkte en generel regel for smart design af nitrid-baserede katalysatorer baseret på deres dannelse af nitrogen-tomrum og skabte en højtydende katalysator til ammoniaksyntese ved hjælp af cerium, et rigeligt overgangsmetal.

Ammoniak (NH ₃ ) er et naturligt forekommende kemikalie i miljøet, men dens udbredte anvendelse som en vigtig ingrediens i forskellige fremstillingsprocesser har gjort den til en af ​​de mest producerede kemikalier. Det er afgørende for produktionen af ​​gødning og hjælper med at øge udbyttet af forskellige afgrøder. På grund af sin store efterspørgsel, godt 150 millioner tons NH ₃ produceres årligt. Ikke overraskende, kemikere har aktivt ledt efter miljøvenlige og energieffektive måder at syntetisere NH på ₃ .

Den konventionelle måde at producere NH ₃ er ved direkte anvendelse af nitrogen (N ₂ ) og hydrogen (H ₂ ) gasser. Men, at bryde den stærke binding mellem N -atomer er udfordrende. Det er her katalysatorer (materialer, der letter de nødvendige reaktioner) spiller ind. Desværre, nutidens bedst katalysator til NH ₃ syntese kræver ruthenium, et sjældent og dyrt metal. I et forsøg på at finde alternativer, forskere fra Tokyo Tech, herunder Dr. Tian-Nan Ye, Prof Masaaki Kitano, og prof. Hideo Hosono, har for nylig forsøgt at finde ud af præcis, hvad der gør en god katalysator til at bryde N ₂ og producerer NH ₃ .

I et tidligere papir udgivet i Natur , Hosono og kolleger havde præsenteret en ny strategi for at producere NH ₃ det involverede brugen af ​​lanthanitrid (LaN) kombineret med nikkel (Ni) nanopartikler. Hovedbidraget i denne undersøgelse var erkendelsen af, at kvælstofplaceringer spiller en vigtig rolle i den katalytiske proces, hvilket tillod dem at designe en La-baseret katalysator med en ydelse, der kan sammenlignes med den for ruthenium-baserede. I en nylig undersøgelse, offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , forskergruppen tog deres resultater endnu længere og undersøgte, om energien, der kræves til at producere disse nitrogen -ledige stillinger, er det, der i sidste ende definerer ydelsen af ​​katalysatorer under NH ₃ produktion.

Nitrogenplaceringerne i katalysatorens overflade kan let fange N ₂ og svække dens N-N-binding, hvorefter atomer dissocierede fra H ₂ ved Ni -nanopartiklerne springe ud på det fremspringende N -atom for at producere NH ₃ . Ud over, dissocierede H -atomer kan også danne NH ₃ direkte ved hjælp af N -atomer fra selve katalysatorens krystallinske gitter, og dermed skabe nye nitrogen -ledige stillinger i processen. Efter succesen med deres tidligere Ni/LaN -katalysator, i dette studie, de skabte og sammenlignede lignende katalysatorer med forskellige nitrogentomdannelsesenergier (ENV).

Blandt de testede katalysatorer er Ni-ladet ceriumnitrid (CeN) udviste den bedste katalytiske ydeevne på grund af dets relativt lave ENV. Ydelsen af ​​de andre testede materialer var også direkte relateret til deres respektive ENV. Er spændt på resultaterne, Professor Hosono bemærker, "Vi kan nu foreslå en generel regel for design af nitridbaserede katalysatorer til NH ₃ syntese, hvor deres ENV dominerer deres katalytiske ydeevne. "Især især den katalytiske aktivitet af Ni/CeN var sammenlignelig med den for rutheniumbaserede katalysatorer, repræsenterer et potentielt miljøvenligt alternativ, der består af materialer, der er mere rigelige.

Hvad mere er, holdet bemærkede også, at Ni -indlæsning på CeN ikke engang var nødvendig; nitrogen ledige pladser i CeN kan også udløse dissociation af H ₂ molekyler. "CeN i sig selv og med Ni -belastning viste sig at producere de mest effektive og stabile katalysatorer til ammoniaksyntese blandt de forskellige nitridkatalysatorer, vi undersøgte, "forklarer Ye. Teamet er håbefuldt om, at indsigten fra denne undersøgelse også kan være nyttig i andre applikationer end ammoniaksyntese. Kitano konkluderer, "At forstå nitriders rolle kan kaste lys over design og udvikling af effektive overgangsmetalbaserede katalysatorer til andre kemiske processer."