Forskere bestemmer eksperimentelt reaktionsmekanismen for katalytisk ammoniakproduktion
Forskere ved Stockholms Universitet har for første gang været i stand til at studere overfladen af jern- og rutheniumkatalysatorer, når ammoniak dannes fra nitrogen og brint. Undersøgelsen, "Operando Probing of the Surface Chemistry Under the Haber-Bosch Process," er offentliggjort i Nature .
Et bedre kendskab til den katalytiske proces og muligheden for at finde endnu mere effektive materialer åbner døren for en grøn omstilling i den nuværende meget CO2 -intensiv kemisk industri.
Ammoniak, der produceres i Haber-Bosch-processen, er i øjeblikket et af de mest essentielle basiskemikalier for verden til fremstilling af gødning, med en årlig produktion på 110 millioner tons. Tidsskriftet Nature foreslog i 2001, at Haber-Bosch-processen var den mest kritiske videnskabelige opfindelse for menneskeheden i det 20. århundrede, da den har reddet omkring 4 milliarder menneskers liv ved at forhindre massesult. En vurdering af nitrogenindholdet i vores kroppes DNA og proteiner viser, at halvdelen af atomerne kan stamme fra Haber-Bosch.
"På trods af tre Nobelpriser (1918, 1931 og 2007) for Haber-Bosch-processen har det ikke været muligt eksperimentelt at undersøge katalysatoroverfladen med overfladefølsomme metoder under reelle ammoniakproduktionsforhold; eksperimentelle teknikker med overfladefølsomhed ved høje nok tryk og temperaturer havde ikke været opnåelige," siger Anders Nilsson, professor i kemisk fysik ved Stockholms universitet.
"Som følge heraf kunne forskellige hypoteser om tilstanden af jernkatalysatoren som værende metallisk eller i et nitrid, såvel som arten af de mellemliggende arter af betydning for reaktionsmekanismen, ikke entydigt verificeres."
"Det, der muliggjorde denne undersøgelse, er, at vi har bygget et fotoelektronspektroskopiinstrument i Stockholm, der tillader studier af katalysatoroverflader under høje tryk. Derved har vi været i stand til at observere, hvad der sker, når reaktionen sker direkte," siger David Degerman, Postdoc i Chemical Fysik ved Stockholms Universitet.
"Vi har åbnet en ny dør til forståelse af ammoniakproduktionskatalyse med vores nye instrument, hvor vi nu kan detektere reaktionsmellemprodukter og give bevis for reaktionsmekanismen."
"At have vores Stockholm-instrument ved en af de mest lysstærke røntgenkilder i verden ved PETRA III i Hamborg har været afgørende for at gennemføre undersøgelsen," siger Patrick Lömker, forsker ved Stockholm Universitet. "Vi kan nu forestille os fremtiden med endnu lysere kilder, når maskinen opgraderer til PETRA IV."
"Vi har nu værktøjerne til at udføre forskning, der fører til nye katalysatormaterialer til ammoniakproduktion, som kan bruges bedre til at passe sammen med elektrolyseproduceret brint til den kemiske industris grønne omstilling," siger Anders Nilsson.
"Det er inspirerende at forske i et emne, der er så knyttet til en videnskabelig succeshistorie, som har hjulpet menneskeheden enormt. Jeg er ivrig efter at fortsætte forskningen for at finde nye katalysatorer, der kan mindske vores afhængighed af fossile kilder. Den kemiske industri alene står for 8 % af den verdensomspændende CO2 emissioner," siger Bernadette Davies, ph.d.-studerende i materialekemi ved Stockholms universitet.
"Den langsigtede udsigt til at udføre ammoniakproduktion gennem et elektrokatalytisk alternativ, der er direkte drevet af sol- eller vindelektricitet, er mest tiltalende, og nu har vi værktøjer til videnskabeligt at hjælpe med denne udvikling," siger Sergey Koroidov, forsker ved Stockholms Universitet. .
Undersøgelsen er udført i samarbejde med Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) i Hamborg og Montan University i Østrig. Undersøgelsen omfattede tidligere ansatte ved universitetet, Chris Goodwin, Peter Amann, Mikhail Shiplin, Jette Mathiesen og Gabriel Rodrigez.
Flere oplysninger: Anders Nilsson, Operando-sondering af overfladekemien under Haber-Bosch-processen, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06844-5. www.nature.com/articles/s41586-023-06844-5
Journaloplysninger: Natur
Leveret af Stockholm Universitet
Varme artikler
-
Hårfarve er giftigt – kan naturlige alternativer fås til at virke?Henna hårfarve er naturligt, men begrænset. Kredit:fotolotos/Shutterstock Ved du virkelig, hvad du sætter på dit hår? Mange hårfarver, du kan købe i butikkerne eller frisøren, indeholder giftige k -
Forskere forudser nye superhårde materialerKredit:Pixabay/CC0 Public Domain En gruppe Skoltech -forskere brugte machine learning (ML) metoder til at forudsige superhårde materialer baseret på deres krystalstruktur. Forskningen blev offent -
Forskere identificerer elektroniske og strukturelle dynamikker i katalytiske centre i enkelt-Fe-atom…Identifikationen af den elektroniske og strukturelle dynamik af katalytiske centre i enkelt-Fe-atom materiale ved Operando Mossbauer spektroskopi. Kredit:LI Xuning Single-atom catalyst (SAC) er -
Nyt elektrodemateriale udviklet til at øge opladningskapaciteten af lithium-batterierNyt elektrodemateriale udviklet til at øge opladningskapaciteten af lithium-batterier. Kredit:Yokohama National University Lithium-batterier lover meget for fremtiden for mange applikationer, he
- Kan jeg rejse uden at udvide mit CO2 -fodaftryk?
- Forskere skaber 3D DNA nanorobotter
- Synkende græsk landsby fremhæver nationers afhængighed af kul
- Kuldaskenes dødelige problem
- Opdagede et kæmpe radioteleskop i Kina lige rumvæsener? Ikke så HURTIG...
- Forskere foreslår forbedringer af præcis afgrødevanding