Fremskridt i den billige elektrokemiske syntese af ammoniak

Ammoniak (NH ₃ ) er masseproduceret til brug i landbruget, farmaceutiske, og bæredygtige energisektorer. Imidlertid, dets konventionelle syntesemetoder er miljøvenlige, så vi har brug for alternativer! For nylig, Forskere fra Daegu Gyeongbuk Institut for Videnskab og Teknologi, Korea, udviklet en ny omkostningseffektiv og holdbar elektrokatalysator, der efterligner et naturligt enzym til at producere NH ₃ fra nitrogen i luften. Deres resultater tager os et skridt tættere på sikrere og renere måder at elektrokemisk producere NH på ₃ .

Ammoniak (NH ₃ ) er blandt de vigtigste kemikalier produceret af mennesker og har en lovende fremtid inden for bæredygtige energianvendelser udover at blive brugt i gødningsproduktion. Desværre, indtil nu, den eneste realistiske måde, der findes til at producere ammoniak i industriel skala, er gennem Haber-Bosch-processen. Denne teknik, opdaget i det 19. århundrede, er meget energikrævende og miljømæssigt uvenlig; omkring 2 % af den årlige globale CO ₂ emissioner kommer fra Haber -Bosch -processer.

"I betragtning af de trusler, som den globale opvarmning udgør, det er på høje tid, at vi skifter til en ammoniaksyntese-rute med nul CO ₂ emissioner, " siger professor Sangaraju Shanmugam fra Daegu Gyeongbuk Institut for Videnskab og Teknologi (DGIST), Korea. Shanmugam og kolleger hos DGIST har arbejdet på at finde nye måder at producere ammoniak gennem elektrokemiske reaktioner ved stuetemperatur ved hjælp af nitrogenet (N ₂ ) naturligt til stede i luften, en proces, teknisk kendt som elektrokatalytisk fiksering af atmosfærisk N ₂ .

Selvom forskellige forskningsgrupper med succes har udviklet katalysatorer til elektrokemiske celler med høje ammoniakproduktionshastigheder, mange lider af lav effektivitet og selektivitet over for N ₂ . Andre kræver ædle metaller eller komplekse synteseprocesser, hvilket begrænser deres anvendelighed i industriel skala. I en nylig undersøgelse offentliggjort i Anvendt katalyse B:Miljømæssig , DGIST-forskere ledet af prof. Shanmugam tacklede alle disse problemer med en ny katalysator til elektrokemisk ammoniaksyntese.

Deres tilgang er baseret på molybdænnitrid (Mo ₂ N) nanopartikler, som deler elektriske egenskaber med enzymet nitrogenase, som nogle bakterier bruger til at producere ammoniak i naturen. Nanopartikler alene klarer ikke snittet; imidlertid, fordi de har en tendens til at holde sig til hinanden, denne agglomeration reducerer det samlede overfladeareal, der er udsat for N ₂ og hindrer dermed katalysatorens ydeevne. For at bekæmpe dette problem, forskerne producerede todimensionelle hexagonale bornitrid (h-BN) plader og skræddersyede dem til at indeholde defekter. Disse defekter - ledige stillinger i bor og nitrogen - gav steder til Mo ₂ N nanopartikler til at forankre sig uden at agglomerere meget.

Med denne katalysator, teamet formåede at syntetisere ammoniak i høj hastighed med en effektivitet på 61,5 % på en stabil og robust måde. Især, hele fremstillingsprocessen af ​​den billige Ү-Mo ₂ N/h-BN katalysator kan udføres i et enkelt trin, hvilket gør det til en attraktiv mulighed med hensyn til industriel skalerbarhed. Desuden, undersøgelsen gav vigtig indsigt i, hvordan størrelsen af ​​nanopartiklerne påvirker selektiviteten af ​​katalysatoren til nitrogenfiksering. Prof. Shanmugam bemærker:"Vi tror på, at vores arbejde i høj grad vil bidrage til udviklingen af ​​effektive katalysatorer. Fremme alternative teknologier til produktion af værdifulde kemikalier som ammoniak via elektrokatalytiske metoder vil bane vejen for et renere og sikrere miljø."

Forhåbentlig, yderligere undersøgelser vil endelig give os mulighed for at opgive gårsdagens metoder til fordel for morgendagens bæredygtige alternativer.