Genom att använda ultraviolett strålning (hν) för att producera energiska elektroner (e-) kan en koppar-palladiumkatalysator (gröna och blå sfärer) generera väte (H0) utan att använda fossila bränslen. Detta material kan sedan omvandla nitratjoner (NO3-) till ammoniak (NH3). Återges, med tillåtelse, från Ref. 1 © 2011 American Chemical Society
Närande grödor med syntetisk ammoniak (NH 3 ) gödselmedel har ökat jordbruksavkastningen allt mer, men sådan produktivitet har ett pris. Överapplicering av denna kemikalie kan bygga upp nitratjon (NO 3 -) koncentrationer i jorden - ett potentiellt grundvattengift och matkälla för skadliga algblomningar. Vidare, industriell tillverkning av ammoniak är en energikrävande process som avsevärt bidrar till atmosfäriska växthusgaser.
En forskargrupp ledd av Miho Yamauchi och Masaki Takata från RIKEN SPring-8 Center i Harima har nu upptäckt ett nästan idealiskt sätt att avgifta effekterna av ammoniakgödselmedel. Genom att syntetisera fotoaktiva bimetalliska nanokatalysatorer som genererar vätgas från vatten med hjälp av solenergi, laget kan katalytiskt omvandla NO 3 - tillbaka till NH3 genom en effektiv väg fri från koldioxidutsläpp.
Byte av syreatomer i NO 3 - med väte är ett svårt kemiskt trick, men kemister kan uppnå denna bedrift genom att använda nanopartiklar av koppar -palladium (CuPd) legeringar för att immobilisera nitrater vid deras ytor och katalysera en reduktionsreaktion med lösta väteatomer. Dock, atomfördelningen vid 'nano -legeringen' ytan påverkar resultatet av detta förfarande:regioner med stora domäner av Pd -atomer tenderar att skapa kvävgas, medan välblandade legeringar företrädesvis producerar ammoniak.
Enligt Yamauchi, utmaningen att syntetisera homogent blandade CuPd -legeringar är att få rätt tidpunkt - de två metalljonerna omvandlas till atomtillstånd med olika hastigheter, orsakar fasseparation. Yamauchi och hennes team använde de kraftfulla röntgenstrålarna i SPring-8 Centers synkrotron för att karakterisera atomstrukturen hos CuPd syntetiserad med hårda eller milda reagenser. Deras experiment avslöjade att ett relativt starkt reducerande reagens som kallas natriumborhydrid gav legeringar med nästan perfekt blandning ner till nanoskala dimensioner.
De flesta ammoniaksynteser använder vätgas från fossila bränslen, men användningen av solenergi av forskarna undviker detta. De fann att deponering av nano -legeringen på ljuskänslig titandioxid (TiO 2 ) gav ett material som kunde omvandla ultraviolett strålning till energiska elektroner; i tur och ordning, dessa elektroner stimulerade vätgasbildning från en enkel vatten/metanollösning. När de tillsatte nitratjoner till denna blandning, CuPd/TiO 2 katalysator omvandlade nästan 80% till ammoniak - en anmärkningsvärd kemisk selektivitet som forskarna tillskriver höga koncentrationer av reaktivt väte fotokatalytiskt producerat nära CuPd -ytan.
Yamauchi är övertygad om att detta tillvägagångssätt kan bidra till att minska den ekologiska effekten av många klassiska kemiska hydreringsreaktioner. ”Med tanke på de miljöproblem vi står inför, vi måste byta från kemisk syntes med fossilbaserat väte till andra rena processer, Säger hon.
