Ammoniak (NH3) är en av de viktigaste industrikemikalierna idag, syntetiseras globalt för användning i gödselmedel som sedan möjliggör matproduktion för ungefär 70% av världens befolkning. Ammoniak erhålls för närvarande genom att reagera kväve (N2) från luft med väte (H2). Denna reaktion kräver hög energi och är, därför, drivs av fossila bränslen, bidrar till över 3% av de globala koldioxidutsläppen. Kredit:Irasutoya, Michikazu Hara
Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har utvecklat en förbättrad katalysator genom att ta det vanliga dehydratiseringsmedlet kalciumhydrid och tillsätta fluor. Katalysatorn underlättar syntesen av ammoniak vid endast 50 ° C, genom att bara använda hälften av den energi som befintliga tekniker kräver. Detta öppnar dörrar till ammoniakproduktion med låg energiförbrukning och minskade utsläpp av växthusgaser.
Ammoniak är avgörande för att tillverka växtgödsel, som i sin tur föder cirka 70 % av världens befolkning. Inom industrin, ammoniak framställs via Haber-Bosch-processen, där metan först reageras med ånga för att producera väte, och väte reageras sedan med kväve för att ge ammoniak. Problemet med denna process är att när temperaturen ökar, avkastningen minskar. För att fortsätta få en bra avkastning, trycket som appliceras i reaktionskammaren behöver ökas. Detta kräver mycket energi. Ytterligare, de järnbaserade katalysatorerna som används för reaktionen är endast effektiva över 350 ° C. Att upprätthålla så höga temperaturer kräver också en betydande mängd energi. Till råga på allt, avkastningen är endast 30-40%.
Fossila bränslen används för närvarande för att driva processen, bidrar med stora mängder koldioxid till atmosfären. Alternativ för förnybara resurser, som vindkraft, har tillämpats, men de har inte visat sig vara hållbara. För att öka avkastningen och samtidigt minska skadorna på miljön, därför, reaktionen måste ske vid låga temperaturer. För att detta ska hända, katalysatorer som möjliggör reaktionen vid låga temperaturer krävs.
a) Fourier Trans form infraröd (FT-IR) spektra för kväveadsorption på den utvecklade fluorid-innehållande Ru/CaFH-katalysatorn (överst) som visar försvagad bindning mellan kväveatomer jämfört med en icke-modifierad Ru/CaH2-katalysator (lägre spektrum). b) Föreslagen reaktionsmekanism med användning av Ru/CaFH -katalysatorn. Kreditera: Naturkommunikation
Än så länge, sådana katalysatorer har varit svårfångade för forskare. "Konventionella katalysatorer förlorar den katalytiska aktiviteten för ammoniakbildning från N 2 och H. 2 gaser vid 100-200 °C, även om de uppvisar hög katalytisk prestanda vid höga temperaturer, "anmärker en grupp forskare från Tokyo Tech, Japan, som äntligen verkar ha löst katalysatorproblemet. Forskarna, ledd av Dr.Michikazu Hara, utvecklat en katalysator som är effektiv även vid 50 ° C. "Vår katalysator producerar ammoniak från N 2 och H 2 gaser vid 50 ° C med en extremt liten aktiveringsenergi på 20 kJmol -1 , vilket är mindre än hälften av det som rapporterats för konventionella katalysatorer, "Dr Hara och kollegor rapporterar i sin artikel publicerad i Naturkommunikation .
Deras katalysator innefattar en fast lösning av CaFH, med rutenium (Ru) nanopartiklar avsatta på dess yta. Tillsats av fluor (F - ) till kalciumhydrid (CaH 2 ), ett vanligt uttorkningsmedel, är det som gör katalysatorn effektiv vid lägre temperaturer och tryck. Efter att ha utfört spektroskopiska och beräkningsanalyser, forskarna föreslår en möjlig mekanism genom vilken katalysatorn underlättar ammoniakproduktionen.
Kalcium-fluorid (Ca-F) bindningen är starkare än kalcium-väte (Ca-H) bindningen. Så, närvaron av Ca-F-bindningen försvagar Ca-H-bindningen och Ru kan extrahera H-atomer från katalysatorkristallen, lämnar elektroner i deras ställe. H-atomerna desorberar sedan från Ru-nanopartiklarna som H 2 gas. Detta sker även vid 50 ° C. Den resulterande laddningsrepulsionen mellan de fångade elektronerna och F - joner i kristallen sänker energibarriärerna för dessa elektroner att frigöra, vilket ger materialet hög elektrondonerande kapacitet. Dessa frigjorda elektroner angriper bindningarna mellan kväveatomerna i N 2 gas, underlätta produktionen av ammoniak.
Denna nya metod för ammoniakproduktion minskar energibehovet, därigenom minska koldioxidutsläppen från användningen av stora mängder fossila bränslen. Resultaten av denna studie belyser möjligheten till en miljömässigt hållbar Haber-Bosch-process, öppnar dörren till nästa revolution inom jordbrukets livsmedelsproduktion.
