Katalyserer ammoniakdannelse ved lavere temperaturer med ruthenium

Nitrogen er et vigtigt næringsstof for plantevækst. Mens omkring 80 % af jorden er nitrogen, det er for det meste indeholdt i atmosfæren som gas, og dermed, utilgængelige for planter. For at øge plantevæksten, især i landbrugsmiljøer, derfor, kemiske nitrogengødninger er nødvendige. Et afgørende skridt i produktionen af ​​disse gødninger er syntesen af ​​ammoniak, som involverer en reaktion mellem brint og nitrogen i nærvær af en katalysator.

Traditionelt, ammoniakproduktion er blevet udført gennem "Haber-Bosch" processen, hvilken, på trods af at den er effektiv, kræver høje temperaturforhold (400-500°C), gør processen dyr. Følgelig, forskere har forsøgt at finde en måde at reducere reaktionstemperaturerne ved ammoniaksyntese.

For nylig, forskere har rapporteret ruthenium - et overgangsmetal - som en effektiv "katalysator" til ammoniaksyntese, da den fungerer under mildere forhold end traditionelle jernbaserede katalysatorer. Imidlertid, der er en advarsel:nitrogenmolekyler skal klæbe til katalysatoroverfladen for at blive dissocieret til atomer, før de reagerer med brint for at danne ammoniak. For ruthenium, imidlertid, den lave temperatur får i stedet brintmolekyler til at klæbe til overfladen – en proces kaldet brintforgiftning – som hæmmer produktionen af ​​ammoniak. At arbejde med ruthenium, derfor, det er nødvendigt at undertrykke dens brintforgiftning.

Heldigvis, visse materialer kan booste den katalytiske aktivitet af ruthenium, når de bruges som en "katalysatorunderstøtning." Et team af forskere fra Tokyo Tech, Japan, for nylig afsløret, at lanthanidhydridmaterialer af formen LnH _2+x er en sådan gruppe af støttematerialer. "Den forbedrede katalytiske ydeevne er realiseret af to unikke egenskaber ved støttematerialet. For det første, de donerer elektroner, som styrer dissociationen af ​​nitrogen på rutheniumoverfladen. Sekund, disse elektroner kombineres med brint på overfladen for at danne hydridioner, som let reagerer med nitrogen for at danne ammoniak og frigive elektronerne, undertrykkelse af brintforgiftning af ruthenium, " forklarer Associate Prof. Maasaki Kitano, der ledede undersøgelsen.

Ved mistanke om, at hydridionmobilitet kan have en rolle at spille i ammoniaksyntese, holdet, i en ny undersøgelse offentliggjort i Avancerede energimaterialer, undersøgte ydeevnen af ​​lanthanidoxyhydrider (LaH _3-2x Ox) - angiveligt hurtige hydridionledere ved 100-400°C - som et støttemateriale til ruthenium, med det formål at afdække sammenhængen mellem ammoniaksyntese og hydridionmobilitet.

De fandt ud af, at mens "bulk" hydrid-ion-ledningsevnen havde ringe betydning for aktiveringen af ​​ammoniaksyntese, overfladen eller den "lokale" mobilitet af hydridioner spillede en afgørende rolle i katalyse ved at hjælpe med at opbygge en stærk modstand mod brintforgiftning af ruthenium. De fandt også ud af, at sammenlignet med andre støttematerialer, lanthanoxyhydrider krævede en lavere begyndelsestemperatur for ammoniakdannelse (160°C) og viste en højere katalytisk aktivitet.

Desuden, holdet observerede, at tilstedeværelsen af ​​oxygen stabiliserede oxyhydrid-rammen og hydridionerne mod nitridering - transformationen af ​​lanthanoxyhydrid til lanthannitrid og dens efterfølgende deaktivering - hvilket har en tendens til at hæmme katalyse og er en stor ulempe ved at bruge hydridbærematerialer. "Modstanden mod nitridering er en enorm fordel, da den hjælper med at bevare hydridionernes elektrondonerende evne i længere varighed af reaktionen, " kommenterer Prof. Kitano.

Den overlegne katalytiske ydeevne og lavere syntesestarttemperatur opnået ved brug af lanthanidoxyhydrider kunne således være den meget efterspurgte løsning til at skrue ned for varmen på ammoniakproduktionen.