Forskare vid Stockholms universitet har för första gången kunnat studera ytan på järn- och ruteniumkatalysatorer när ammoniak bildas från kväve och väte. Studien, "Operando Probing of the Surface Chemistry Under the Haber-Bosch Process", publiceras i Nature .
En bättre kunskap om den katalytiska processen och möjligheten att hitta ännu effektivare material öppnar dörren för en grön omställning i just nu mycket CO2 -intensiv kemisk industri.
Ammoniak, som produceras i Haber-Bosch-processen, är för närvarande en av de viktigaste baskemikalierna för världen för att producera gödningsmedel, med en årlig produktion på 110 miljoner ton. Tidskriften Nature föreslog 2001 att Haber-Bosch-processen var den mest kritiska vetenskapliga uppfinningen för mänskligheten under 1900-talet, eftersom den har räddat omkring 4 miljarder människors liv genom att förhindra masssvält. En uppskattning av kvävehalten i våra kroppars DNA och proteiner visar att hälften av atomerna kan härröra från Haber-Bosch.
"Trots tre Nobelpriser (1918, 1931 och 2007) för Haber-Bosch-processen har det inte varit möjligt att experimentellt undersöka katalysatorytan med ytkänsliga metoder under verkliga ammoniakproduktionsförhållanden; experimentella tekniker med ytkänslighet vid tillräckligt höga tryck och temperaturer hade inte varit möjliga, säger Anders Nilsson, professor i kemisk fysik vid Stockholms universitet.
Följaktligen kunde olika hypoteser om tillståndet hos järnkatalysatorn som metalliskt eller i en nitrid, såväl som arten av de mellanliggande arterna av betydelse för reaktionsmekanismen, inte entydigt verifieras."
"Det som möjliggjorde den här studien är att vi har byggt ett fotoelektronspektroskopiinstrument i Stockholm som möjliggör studier av katalysatorytor under höga tryck. Därmed har vi kunnat observera vad som händer när reaktionen sker direkt", säger David Degerman, postdoc i kemi. Fysik vid Stockholms universitet.
"Vi har öppnat en ny dörr för att förstå ammoniakproduktionskatalys med vårt nya instrument där vi nu kan detektera reaktionsintermediärer och ge bevis för reaktionsmekanismen."
"Att ha vårt Stockholmsinstrument vid en av de ljusaste röntgenkällorna i världen vid PETRA III i Hamburg har varit avgörande för att genomföra studien", säger Patrick Lömker, forskare vid Stockholms universitet. "Vi kan nu föreställa oss framtiden med ännu ljusare källor när maskinen uppgraderar till PETRA IV."
"Vi har nu verktygen att bedriva forskning som leder till nya katalysatormaterial för ammoniakproduktion som kan användas bättre för att passa ihop med elektrolysproducerat väte för den gröna omställningen av den kemiska industrin", säger Anders Nilsson.
"Det är inspirerande att forska om ett ämne som är så kopplat till en vetenskaplig framgångssaga som har hjälpt mänskligheten oerhört. Jag är angelägen om att fortsätta forskningen för att hitta nya katalysatorer som kan minska vårt beroende av fossila källor. Den kemiska industrin ensam står för 8 % av den globala CO2 utsläpp", säger Bernadette Davies, doktorand i materialkemi vid Stockholms universitet.
"Långsiktiga utsikter att genomföra ammoniakproduktion genom ett elektrokatalytiskt alternativ som är direkt driven av sol- eller vindkraft är mest tilltalande, och nu har vi verktyg för att vetenskapligt bistå i denna utveckling", säger Sergey Koroidov, forskare vid Stockholms universitet .
Studien genomfördes i samarbete med Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) i Hamburg och Montan University i Österrike. Studien inkluderade tidigare anställda vid universitetet, Chris Goodwin, Peter Amann, Mikhail Shiplin, Jette Mathiesen och Gabriel Rodrigez.
Mer information: Anders Nilsson, Operando-sondering av ytkemin under Haber–Bosch-processen, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06844-5. www.nature.com/articles/s41586-023-06844-5
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Stockholms universitet
