Perovskiter är en klass av syntetiska material som har en kristallin struktur som liknar den hos det naturligt förekommande mineralet kalciumtitanat. De har varit föremål för många studier eftersom de uppvisar spännande och unika egenskaper som kan ställas in efter deras sammansättning. En av deras potentiella tillämpningar är som katalysatorer för syntes av ammoniak. Med andra ord, specifika perovskiter kan placeras inuti en reaktionskammare med kväve och väte för att främja reaktionen av dessa gaser för att bilda ammoniak.

Ammoniak är ett användbart ämne som kan användas vid tillverkning av konstgödsel och konstgjorda kemikalier, och även som en ren energibärare i form av väte, som kan vara nyckeln till miljövänlig teknik. Dock, det finns olika utmaningar förknippade med själva syntesen av ammoniak och perovskiter.

Synteshastigheten för ammoniak är i allmänhet begränsad av den höga energi som krävs för att dissociera kvävemolekyler. Vissa forskare har haft viss framgång med att använda ädelmetaller som rutenium. Nyligen, perovskiter med några av sina syreatomer ersatta av väte- och kvävejoner har utvecklats som effektiva katalysatorer för ammoniaksyntes. Dock, den traditionella syntesen av perovskiter med sådana substitutioner måste vanligtvis utföras vid hög temperatur (över 800 grader Celsius) och under långa tidsperioder (veckor).

För att ta itu med dessa problem, i en nyligen genomförd studie vid Tokyo Tech, en grupp forskare under ledning av prof. Masaaki Kitano utarbetade en ny metod för lågtemperatursyntes av en sådan syresubstituerad perovskit med det kemiska namnet BaCeO _3-x N _y H _z och testade dess prestanda som en katalysator för att producera ammoniak. För att uppnå detta, de gjorde en innovativ ändring av perovskitsyntesprocessen. Användningen av bariumkarbonat och ceriumdioxid som prekursorer innebär en mycket hög temperatur, som krävs för att de ska kombineras till basperovskiten, eller BaCeO ₃ , eftersom bariumkarbonat är mycket stabilt. Dessutom, det är nödvändigt att ersätta syreatomerna med kväve- och vätejoner. Å andra sidan, teamet fann att föreningen bariumamid reagerar lätt med ceriumdioxid under ammoniakgasflöde för att direkt bilda BaCeO _3-x N _y H _z vid låga temperaturer och på kortare tid. "Detta är den första demonstrationen av en nedifrån-och-upp-syntes av ett sådant material, kallas oxynitridhydrid av perovskittyp, " förklarar Prof. Kitano.

Forskarna analyserade först strukturen hos perovskiten som erhölls genom den föreslagna processen och testade sedan dess katalytiska egenskaper för lågtemperatursyntes av ammoniak under olika förhållanden. Det föreslagna materialet överträffade inte bara de flesta av de toppmoderna konkurrenterna i kombination med rutenium, men det överträffade också dem alla avsevärt när de kombinerades med billigare metaller som kobolt och järn. Detta representerar enorma fördelar både vad gäller prestanda och tillhörande kostnad.

Till sist, forskarna försökte klargöra mekanismerna bakom den förbättrade synteshastigheten för ammoniak. Övergripande, insikten i denna studie fungerar som ett protokoll för syntes av andra typer av material med kväve- och vätejonsubstitutioner och för intelligent design av katalysatorer. "Våra resultat kommer att bana väg för nya katalysatordesignstrategier för lågtemperaturammoniaksyntes, " avslutar Prof. Kitano. Dessa resultat kommer förhoppningsvis att göra syntesen av användbara material renare och mer energieffektiv.

Studien publiceras i Journal of American Chemical Society .