Når verden bevæger sig mod bæredygtighed, fortsætter efterspørgslen efter effektive alternativer på tværs af brancher med at vokse. Ammoniak, et vigtigt kemikalie, der bruges i gødning, eksplosiver og forskellige andre produkter, syntetiseres primært gennem den energikrævende Haber-Bosch-proces.
Denne proces kræver ekstremt høje temperaturer og tryk, hvilket bidrager til globale kuldioxidemissioner. Konventionelle katalysatorer, såsom jern og ruthenium, er afhængige af disse barske forhold for at drive reaktionen.
En undersøgelse fra forskere fra Institute of Science Tokyo, National Institute for Materials Science, og Tohoku University, Japan, ledet af professor Masaaki Kitano, udforsker BA3Sio5 – xNyHz Katalysator som et bæredygtigt alternativ til traditionelle katalysatorer, der potentielt revolutionerer ammoniaksyntese.
Ledige stillinger, især anionens ledige stillinger inden for den tredimensionelle struktur af katalysatorer, fungerer som aktive steder. Disse aktive steder er energisk involveret i katalyseprocessen. Anionens ledige stillinger alene er imidlertid ikke effektive uden tilstedeværelsen af overgangsmetalsteder. Denne begrænsning inspirerede forskere til at udvikle en overgangsmetalfri katalysator.
Offentliggjort online i Naturkemi Den 17. februar 2025 sigter undersøgelsen mod at udvikle mere effektive, bæredygtige ammoniaksyntesemetoder.
Kitano forklarer, “Vi har fokuseret på tribariumsilikat (BA3Sio5) Til syntese af vores nye katalysator på grund af dens unikke krystalstruktur og kemiske egenskaber, der tilbyder potentialet til at sænke energibehovet og reducere driftsbetingelserne. “
For at tackle de miljømæssige og energiudfordringer, der er udpeget ved konventionelle syntesemetoder, udviklede og testede forskerteamet forskellige materialer med blandet anion.
Undersøgelsen skred frem gennem flere faser. Først syntetiserede forskerne en ny Ba-Si oxynitrid-hydrid, BA3Sio5 – xNyHzgennem en lav temperatur (400–700 ° C) faststofreaktion af bariumamid med siliciumdioxid. Den resulterende kemiske sammensætning blev bestemt til at være BA3Sio2.87N0,80H1,86.
Denne syntesetemperatur er meget lavere end syntesetemperaturerne (1100–1400 ° C) af konventionelle silikatmaterialer, såsom BA3Sio5Ba3Si6O9N4og Basi2O2N2. Den syntetiserede BA3Sio5 – xNyHz demonstrerede enestående stabilitet som en katalysator for ammoniaksyntese, selv i mangel af overgangsmetalsteder.
Det viste højere aktivitet og lavere aktiveringsenergi end den konventionelle rutheniumbelastede MGO-katalysator. På den anden side ba3Sio5Ba3Si6O9N4og Basi2O2N2 udviste ingen katalytisk aktivitet.
BA3Sio5 – xNyHz Katalysatorens ammoniaksynteseaktivitet blev testet under forskellige temperaturer og tryk, og strukturelle egenskaber blev analyseret under anvendelse af avancerede instrumenteringsteknikker.
For yderligere at forbedre ydeevnen blev ruthenium nanopartikler introduceret. Forskerne fandt, at BA3Sio5 – xNyHz viste den højeste katalytiske aktivitet med ruthenium nanopartikler.
“Tilsætningen af ruthenium -nanopartikler øgede signifikant katalytisk ydeevne, hvilket muliggør mere effektiv ammoniaksyntese under mildere forhold. Det vigtigste aktive sted er imidlertid ikke ruthenium -nanopartikler, men anionens ledige steder på BA3Sio5 – xNyHzhvilket reducerer det tilsyneladende energibehov til ammoniaksyntese end konventionelle katalysatorer. Vi opdagede også, at den anion-ledige medierede mekanisme spillede en nøglerolle i at lette nitrogenaktivering uden at stole på overgangsmetaller, “siger Kitano.
Disse fund antyder en mere bæredygtig og energieffektiv vej til ammoniaksyntese.
Undersøgelsen fremhæver vigtige fordele: reduceret temperatur og tryk forbedrer effektiviteten, mens overgangsmetalfri sti skærer emissioner og ressourceafhængighed, hvilket understøtter bæredygtighed.
Desuden er den skalerbare syntese og robuste ydelse af BA3Sio5 – xNyHz Katalysatorer placerer dem som lovende kandidater til industriel vedtagelse og tilbyder en mere bæredygtig tilgang til ammoniakproduktion i skala. Disse fund åbner også veje for yderligere forskning i overgangsmetalfri katalyse for andre kritiske processer.
Denne undersøgelse repræsenterer et betydeligt skridt hen imod bæredygtig ammoniaksyntese, der adresserer en stor udfordring inden for industriel kemi. Ved at demonstrere BA’s potentiale3Sio5 – xNyHz Katalysator har forskerne lagt grundlaget for en grønnere og mere effektiv tilgang til produktion af ammoniak, et essentielt kemikalie.