Mer än 100 år efter introduktionen av Haber – Bosch -processen, forskare fortsätter att söka efter alternativa ammoniakproduktionsvägar som är mindre energikrävande. Kinesiska forskare har nu upptäckt att svart fosfor är en utmärkt katalysator för elektroreduktion av kväve till ammoniak. Enligt deras studie publicerad i tidskriften Angewandte Chemie , skiktade svart fosfor nanosheets är en mycket selektiv och effektiv katalysator i denna process.

Ammoniak är en viktig råvara i alla industriområden, från jordbruk till finkemikalier och läkemedelsindustrin. I mer än ett sekel har det har syntetiserats industriellt genom Haber -Bosch -processen, i vilken kväve från luft reduceras med väte eller syntesgas under högt tryck och temperatur över en övergångsmetallkatalysator. Dock, energibehovet i denna process är så högt att en till två procent av den globala energiförsörjningen går till industriell produktion av ammoniak.

Forskare letar efter mildare alternativ, som använder katalysatorer som arbetar under omgivande förhållanden. Metallfria alternativ är särskilt önskvärda. En mycket intressant kandidat är fosfor i dess lägsta reaktivitet, giftfri form:svart fosfor. Detta material är en stigande stjärna i elektroniska applikationer på grund av dess metalliska utseende och ovanliga elektroniska egenskaper. Dessutom, dess pucked tvådimensionella arkliknande struktur kan tillhandahålla de nödvändiga kanterna och platserna för adsorption och molekylär aktivering.

Med denna tanke i åtanke, forskare Haihui Wang vid South China University of Technology, Guangzhou, Kina, och kollegor, beredda tunna lager av bulk svart fosfor, "med en lätt flytande peelingmetod, "som anges i deras publikation. Katalysatorns nanoskikt inkluderades i en kolfiberelektrod för elektrolys. För att tillhandahålla en kväveförsörjning, en hydrokloridelektrolytlösning mättades med kväve.

Vid applicering av en spänning, elektroden producerade lätt och selektivt ammoniak från kväve, och den skiktade svart fosfor överträffade till och med "de flesta icke-metalliska och metallbaserade katalysatorer som rapporterats för närvarande, "tillade författarna. Den extraordinära aktiviteten och selektiviteten hos detta material förklaras av fosforarkens struktur och energi.

Vad är så speciellt med fosfor? Med teoretiska beräkningar, författarna fann att sicksackarrangemanget i fosforskikten, i motsats till andra lager eller platta material, gav ideala platser för kväveadsorption och den elektroniska strukturen vid kanterna var bäst lämpad för bindning, aktiverar, och reducera kväve genom en lågenergibana.

Efter att ha förklarat den extraordinära aktiviteten och selektiviteten hos den skiktade svarta fosforkatalysatorn, författarna medgav att - trots den generellt goda stabiliteten hos svart fosfor under omgivande förhållanden - dess prestanda sjönk på lång sikt på grund av oxidation. "Således, ytterligare förbättringar för att förhindra nedbrytning av svart fosfor i elektrolyten kommer att vara fördelaktigt, "avslutade de.

Detta arbete öppnar upp en ny och attraktiv applikation för svart fosfor. Vid elektrokatalytisk kvävereduktion, prestanda för svart fosfor är överlägsen andra icke -metalliska och till och med metalliska katalysatorer, tyder på att detta material snart kan spela en större roll i elektrokatalys. I tid, kanske till och med Haber – Bosch -processen kommer att ha en konkurrent.