NH3 er et af de vigtigste kemikalier i dagens verden, da den bruges til produktion af gødning til at øge landbrugsudbyttet og opretholde den stadigt voksende globale befolkning. I over 100 år, NH3 Produktionen har været afhængig af Haber – Bosch (HB) -processen, der kombinerer nitrogen (N2) og brint i nærvær af en katalysator.
Interessant nok er en jernbaseret katalysator udviklet for et århundrede siden (kaldet “Fremmet-Fe”) stadig i spidsen for masse NH3 Produktion på trods af utallige bestræbelser på at finde flere energieffektive alternativer. I HB -processen, hvor NH3 produceres af en katalysatorfyldt reaktor med et begrænset volumen, NH3 Produktivitet i reaktoren afhænger af NH3 Produktionshastighed, ikke pr. Katalysatorvægt, men pr. Katalysatorvolumen. Mens førstnævnte ligner sidstnævnte med et øjeblik, er disse to helt forskellige.
Ingen katalysator har nogensinde været i stand til at overgå promoteret-Fe i NH3 Produktionshastighed/katalysatorvolumen over hele temperaturen og trykområdet. Af denne grund har de fleste akademiske forskere valgt at ignorere faktum og har sammenlignet NH3 Produktionshastigheder/katalysatorvægt af “nye katalysatorer” i akademiske tidsskrifter; Denne konkurrence ville ikke føre til en betydelig forbedring af HB -processen.
På baggrund af dette har et forskerteam fra Institute of Science Tokyo, Japan, taget et dristigt skridt fremad med en innovativ tilgang til katalysatordesign. Som rapporteret i deres seneste artikel, der blev offentliggjort i tidsskriftet Avanceret videnskab Den 23. januar 2025 tog professor Michikazu Hara og kolleger designprincipperne for etablerede jernbaserede katalysatorer og gjorde dem i det væsentlige til et innovativt værktøj og opnåede bemærkelsesværdige resultater.
Understøttede metalkatalysatorer, der blev brugt til NH3 Produktionen består typisk af overgangsmetalpartikler, der er deponeret på et understøttelsesmateriale med et stort specifikt overfladeareal og lav densitet, hvilket ideelt øger det aktive overfladeareal og forbedrer NH3 Produktionshastighed/katalysatorvægt. Imidlertid resulterer dette design i en lille NH3 Produktionshastighed/katalysatorvolumen på grund af den lave densitet.

For at tackle dette spørgsmål designede og testede forskerteam fra Science Tokyo metalkatalysatorer med en omvendt struktur. Med andre ord bestod de foreslåede katalysatorer af store jernpartikler fyldt med en passende “promotor.”
“I det omvendte katalysatordesign kan meget aktive steder sprede sig udad koncentrisk på metaloverfladen fra midten af en deponeret promotor,” forklarer Hara, “var det ikke desto mindre ikke blevet verificeret, hvilken struktur der er mere effektiv til at øge NH3 Produktionshastighed pr. Katalysatorvolumen – indtil nu. “
Efter at have eksperimenteret med forskellige sammensætninger, bosatte forskerteamet sig på en katalysator bestående af aluminiumshydrid (ALH) og kalium belastet på relativt større jernpartikler (ALH-K+/Fe). Den katalytiske ydelse af dette nye materiale var fremragende i forskellige henseender. NH3 Produktionshastighed/volumen af katalysatoren nåede ca. Tre gange det for promoveret-Fe.
Desuden kunne den foreslåede katalysator også producere NH3 Under 200 ° C, hvor promoveret-Fe ikke kan fungere for NH3 Produktion, som Hara fremhæver, “den nye katalysator udviste ikke kun meget højere katalytisk ydeevne end forfremmet-Fe, der aldrig er blevet overgået af nogen katalysator, der er udviklet indtil videre, men også syntetiseret NH3 Selv ved 50 ° C. Naturligvis er katalysatoren stabil. Vi har bekræftet, at katalysatoren producerer NH3 uden noget fald i aktiviteten over 2.000 timer. “
Gennem mekanistiske undersøgelser undersøgte forskerne årsagen bag den forbedrede ydelse af ALH-K+/FE katalysator. Resultaterne antydede, at den inverse struktur favoriserer elektrondonation på overfladen af jernpartiklerne, mens antallet af aktive steder pr. Enhedsareal forøges. Dette betyder mere effektiv spaltning af n2som er det hastighedsbegrænsende trin.
Generelt fremhæver resultaterne af denne undersøgelse potentialet for jernbaserede katalysatorer med en omvendt struktur for NH3 produktion. I betragtning af at sådanne katalysatorer let kan fremstilles af jordbundne materialer, kunne de bidrage til mere effektive industrielle NH3 produktion. Dette ville igen hjælpe os i vores mission med at stoppe klimaændringer.