Undersøgelse introducerer en renere måde at producere ammoniak ved stuetemperatur og -tryk
Ammoniak er udgangspunktet for de gødninger, der har sikret verdens fødevareforsyning i det sidste århundrede. Det er også en hovedkomponent i rengøringsprodukter og betragtes endda som en fremtidig kulstoffri erstatning for fossile brændstoffer i køretøjer.
Men syntetisering af ammoniak fra molekylært nitrogen er en energikrævende industriel proces på grund af de høje temperaturer og tryk, som standardreaktionen forløber ved. Forskere fra Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har nu en ny måde at producere ammoniak på, der virker ved stuetemperatur og -tryk.
Siden 1909 har industristandarden for syntetisering af ammoniak involveret omdannelse af molekylært nitrogen (dinitrogen, N2 ) via en reaktion med brintgas ved hjælp af metalbaserede katalysatorer, kendt som Haber-Bosch-processen. Polly Arnold, en senior videnskabsmand og direktør for Chemical Sciences Division ved Berkeley Lab, har fundet ud af, at i stedet kan katalysatorer fremstillet af rigelige såkaldte sjældne jordarters metaller lette denne reaktion ved stuetemperatur.
"Ingen forventede, at sjældne jordarters metaller ville udføre denne reaktion. De har udvidet vores arsenal af potentielle katalysatorer for omgivelsernes tilstand," siger Arnold, som også er professor i kemi ved UC Berkeley.
Sjældne jordarters metaller er de sølvhvide, bløde, tunge grundstoffer, der udgør alle de ikke-radioaktive metaller fra gruppen i bunden af det periodiske system, og som har tiltrukket sig stor interesse for anvendelser i elektronik, lasere og magnetiske materialer .
"På trods af deres navn er sjældne jordarters metaller faktisk ikke sjældne," sagde Anthony Wong, en postdoc-forsker i Arnolds gruppe ved UC Berkeley og tilknyttet Berkeley Labs Chemical Sciences Division og hovedforfatter på papiret i Chem Catalysis i> der beskriver arbejdet. "Nogle er næsten lige så almindelige som kobber, og deres salte er mindre giftige end metaller, der allerede bruges i katalyse," tilføjede han.
Det spændende ved sjældne jordarters metaller, set fra et grundlæggende perspektiv, er, at de har et sæt ekstra elektroner, som deres overgangsmetalmodstykker ikke har. Dette giver dem interessante opto-magnetiske egenskaber - men kemikere forstår ikke helt, om og hvordan elektronerne kan bruges i reaktioner. At undersøge reaktioner, der involverer sjældne jordarters metaller, er et attraktivt værktøj til at forstå deres elektroniske strukturer, og hvordan deres strukturer kan anvendes på ny reaktivitet.
Sjældne jordarter har været kendt for at binde molekylært nitrogen siden 1990'erne. Men indtil nu har forskere ikke været i stand til at bruge dem til at skabe nitrogenfunktionaliserede kemikalier som ammoniak eller aminer katalytisk fra N2 .
Wong, Arnold og deres kolleger designede forbindelser, der forenede to sjældne jordarters metaller med enkle bindinger lavet af phenolater baseret på en simpel antioxidant, der anvendes i vid udstrækning i fødevarer. Den resulterende struktur dannede et rektangulært hulrum.
Molekylært nitrogen, der diffunderede ind i hulrummet, dannede bindinger til metallerne i begge ender, hvilket aktiverer gassen. Derefter angreb elektroner indført i hulrummet fra en kaliumkilde det aktiverede nitrogen og spaltede dets bindinger. I alle dets standardformer danner omdannet nitrogen tre kovalente bindinger til hydrogenatomer eller andre reaktanter, hvilket resulterer i symmetrisk ammoniak eller aminer.
"Vores katalysatorer aktiverer og holder på dinitrogenet, mens forskellige reagenser kommer ind og reagerer for at danne forskellige produkter," sagde Arnold. Hun agter dernæst at bruge elektroder i stedet for kaliumreagenset som en kilde til elektroner, da disse kan fornyes, hvis de f.eks. stammer fra solceller.
Forskerne vil derefter undersøge, hvordan man kan bruge sjældne jordarter til at syntetisere yderligere nitrogenholdige produkter ved at justere formen og størrelsen af det brevkasseformede hulrum. "Vores næste skridt er at udforske og forstå, hvilke egenskaber af sjældne jordarters metal påvirker kemien," sagde Wong.
Den nye proces kommer ikke til at erstatte den udbredte industrielle Haber-Bosch-proces. Den globale ammoniakproduktion har ligget omkring 200 millioner tons årligt siden 2020, og de eksisterende værktøjer er optimeret og ekstremt effektive i stor skala. Men processen forbruger omkring 2 % af verdens energiforbrug og skaber geografiske uligheder i tilgængeligheden af ammoniak.
"Det er ikke madretfærdighed," sagde Arnold. Wong tilføjede:"Vi har brug for bedre måder at producere ammoniak på, der er mindre energikrævende og kan udføres ved omgivende temperaturer og tryk for at hjælpe med fødevare- og energisikkerhed." Deres patenterede teknologi kunne bringe gødning og kemisk specifikke nitrogenprodukter til regioner uden en rørledning og til en meget lavere pris.
Noget af denne forskning blev udført på Advanced Light Source, et Department of Energy Office of Science User Facility beliggende ved Berkeley Lab.
Flere oplysninger: Anthony Wong et al., Katalytisk reduktion af dinitrogen til silylaminer ved hjælp af jordrige lanthanid- og gruppe 4-komplekser, Chem Catalysis (2024). DOI:10.1016/j.checat.2024.100964
Journaloplysninger: Kemkatalyse
Leveret af Lawrence Berkeley National Laboratory
Varme artikler
-
Forskere afslører nøgleindsigt i teknologien til fremvoksende vandrensningTil venstre repræsenterer en omnifobisk membran, og højre repræsenterer en konventionel hydrofob membran med øgede vand-luft-grænsefladeområder (grønne linjer). Kredit:Kota lab Med vandmangel er e -
Ny letvægtsmetal lige så formbar som aluminiumplade med 1,5 gange højere styrkeSammenligning af nyudviklede og konventionelle magnesiumlegeringsplader efter at de har været udsat for Erichsen-tests. Kredit:National Institute for Materials Science Et forskerhold ved NIMS og N -
Hvordan opbygger bakterier naturlige produkter?Et kompleks af tre proteiner beskytter det meget reaktive hexaketid, når det forlænges til octaketidet. I samarbejde med andre proteiner, vigtige naturlige stoffer produceres fra det resulterende octa -
Franske forskere hævder at have skabt metallisk brintDenne udskæring illustrerer en model af det indre af Jupiter, med en stenet kerne dækket af et dybt lag flydende metallisk brint. Kredit:Kelvinsong/Wikimedia Commons Forskere har længe spekuleret
- Optrævling af de mekanismer, der styrer cellevækst og -størrelse
- "Statistics Project Ideas
- Fluorescerende sonde kunne lyse op kræft
- Klimamæssige påvirkninger af sorte kulstofaerosoler over det sydøstlige Atlanterhav undervurderet…
- NASA måler måneskælv med hjælp fra InSight Mars-mission
- Ungdoms klimabevægelse sætter etik i centrum for den globale debat