Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har upptäckt att en katalysator av kalciumamid med en liten mängd tillsatt barium (Ba-Ca (NH ₂ ) ₂ ) med ruteniumnanopartiklar immobiliserade på den kan syntetisera ammoniak med en verkningsgrad som är 100 gånger större än den för konventionella ruteniumkatalysatorer vid låga temperaturer under 300 ° C. Prestanda för denna katalysator är också flera gånger högre jämfört med järnkatalysatorer som för närvarande används industriellt.

Ammoniak är en rå ingrediens för kvävegödsel och är en nyckel till livsmedelsproduktion. En ammoniakmolekyl är en kväveatom bunden med tre väteatomer. Som ett resultat, ammoniak är ett ämne med en mycket hög vätehalt för sin massa. Eftersom det blir en vätska vid rumstemperatur vid ett tryck av 10 atmosfärer, det är också en energibärare för väte, energikällan för teknik som bränsleceller.

Haber-Bosch-processen, den nuvarande industriella ammoniaksyntesmetoden (etablerad 1913) använder en katalysator som huvudsakligen består av järn och kräver höga temperaturer (400 till 500ºC) och höga tryck (100 till 300 atm). För att uppfylla dessa villkor, ammoniak produceras i stora, dedikerade fabriker och sedan transporteras till anläggningar där de används för industriella processer. Det har länge funnits efterfrågan på produktion på plats där den erforderliga mängden ammoniak kan syntetiseras där den behövs, till skillnad från den konventionella storskaliga processen.

Forskargruppen Tokyo Tech för professor Hideo Hosono, Professor Michikazu Hara, Docent Masaaki Kitano och andra upptäckte en katalysator för ammoniaksyntes som fungerar vid hög effektivitet vid låga temperaturer. De upptäckte att en katalysator av kalciumamid med en liten mängd tillsatt barium (Ba-Ca (NH ₂ ) ₂ ) med ruteniumnanopartiklar immobiliserade på den uppvisar katalytisk aktivitet 100 gånger större än den för konventionella ruteniumkatalysatorer vid låga temperaturer under 300 ° C. Ytterligare, katalysatorns katalytiska prestanda är också flera gånger högre jämfört med järnkatalysatorer som används industriellt (figur 1).

Ett ruteniumacetylacetonatkomplex används som råmaterial för rutenium. Genom att värma ett pulver blandat med Ba-Ca (NH ₂ ) ₂ till 400ºC i en väteatmosfär, ett tunt bariumskikt bildas på ruteniumnanopartiklar med en storlek på cirka 3 nm, som porös kalciumamid bildas samtidigt (figur 2). Ytan på Ba-Ca (NH ₂ ) ₂ , råvaran för katalysatorn, är bara ca 17 m ² /g. Dock, eftersom katalysatorn blir porös när den värms till 400 ° C i väte med ruteniumkällan, gruppen fann att ytan expanderar till cirka 100 m ² /g. Ytterligare, bariumbeståndsdelen som tillsätts till kalciumamiden rör sig till katalysatorns yta under denna värmebehandling och bildar ett tunt lager genom att täcka ruteniumnanopartiklarna. Gruppen upptäckte att detta är en unik katalysator, med sådana aktiva strukturer som bildas på ett självorganiserat sätt och förblir stabila under hela reaktionen. Katalysatorn som utvecklats i denna forskning uppvisar den högsta ammoniaksyntesaktiviteten vid låga temperaturer av någon fast katalysator som rapporterats under de senaste åren.

Katalysatorn som utvecklats i denna forskning överträffar långt gränserna för befintliga katalytiska material i sin ammoniaksyntesaktivitet och kommer att bidra avsevärt till att minska energin som används för ammoniaksyntesprocessen. På grund av detta, vidareutveckling av denna teknik förväntas leda till en ny processstruktur för syntes på plats av ammoniak.