Kväve är ett viktigt näringsämne för växternas tillväxt. Medan cirka 80 % av jorden är kväve, det finns mestadels i atmosfären som gas, och följaktligen, otillgänglig för växter. För att öka växternas tillväxt, särskilt i jordbruksmiljöer, därför, kemiska kvävegödselmedel behövs. Ett avgörande steg i produktionen av dessa gödselmedel är syntesen av ammoniak, som involverar en reaktion mellan väte och kväve i närvaro av en katalysator.

Traditionellt, ammoniakproduktion har utförts genom "Haber-Bosch"-processen, som, trots att den är effektiv, kräver höga temperaturer (400-500°C), gör processen dyr. Följaktligen, forskare har försökt hitta ett sätt att minska reaktionstemperaturerna för ammoniaksyntes.

Nyligen, forskare har rapporterat rutenium - en övergångsmetall - som en effektiv "katalysator" för ammoniaksyntes, eftersom den fungerar under mildare förhållanden än traditionella järnbaserade katalysatorer. Dock, det finns en varning:kvävemolekyler måste fastna på katalysatorytan för att dissocieras till atomer innan de reagerar med väte för att bilda ammoniak. För rutenium, dock, den låga temperaturen gör ofta att vätemolekyler fastnar på dess yta istället – en process som kallas väteförgiftning – vilket hindrar produktionen av ammoniak. Att arbeta med rutenium, därför, det är nödvändigt att undertrycka dess väteförgiftning.

Lyckligtvis, vissa material kan öka den katalytiska aktiviteten hos rutenium när de används som ett "katalysatorstöd". Ett team av forskare från Tokyo Tech, Japan, nyligen avslöjat att lantanidhydridmaterial av formen LnH _2+x är en sådan grupp av stödmaterial. "Den förbättrade katalytiska prestandan realiseras av två unika egenskaper hos stödmaterialet. För det första, de donerar elektroner, som styr dissociationen av kväve på ruteniumytan. Andra, dessa elektroner kombineras med väte på ytan för att bilda hydridjoner, som lätt reagerar med kväve för att bilda ammoniak och frigöra elektronerna, undertrycka väteförgiftning av rutenium, " förklarar biträdande professor Maasaki Kitano, som ledde studien.

Misstänker att hydridjonrörlighet kan ha en roll att spela i ammoniaksyntes, laget, i en ny studie publicerad i Avancerade energimaterial, undersökte prestandan hos lantanidoxihydrider (LaH _3-2x Ox) – enligt uppgift snabba hydridjonledare vid 100-400°C – som ett stödmaterial för rutenium, med syftet att avslöja sambandet mellan ammoniaksyntes och hydridjonmobilitet.

De fann att medan "bulk" hydridjonkonduktiviteten hade liten betydelse för aktiveringen av ammoniaksyntes, ytan eller den "lokala" rörligheten av hydridjoner spelade en avgörande roll i katalysen genom att hjälpa till att bygga upp ett starkt motstånd mot väteförgiftning av rutenium. De fann också att jämfört med andra stödmaterial, lantanoxihydrider krävde en lägre starttemperatur för ammoniakbildning (160°C) och visade en högre katalytisk aktivitet.

Vidare, teamet observerade att närvaron av syre stabiliserade oxihydridskelettet och hydridjonerna mot nitridering - omvandlingen av lantanoxihydrid till lantannitrid och dess efterföljande deaktivering - vilket tenderar att hindra katalys och är en stor nackdel med att använda hydridstödmaterial. "Resistensen mot nitridering är en enorm fördel eftersom det hjälper till att bevara hydridjonernas elektrondonerande förmåga under längre varaktighet av reaktionen, " kommenterar Prof. Kitano.

Den överlägsna katalytiska prestanda och lägre syntesstarttemperatur som uppnås med användning av lantanidoxihydrider kan således vara den mycket eftertraktade lösningen för att sänka värmen på ammoniakproduktionen.