Аммиак – полезное вещество, которое можно использовать в производстве удобрений и искусственных химикатов, и даже в качестве носителя чистой энергии (в виде водорода), который может быть ключевым в экологически чистых технологиях. Однако существуют различные проблемы, связанные с синтезом самих аммиака и перовскитов.
Скорость синтеза аммиака обычно ограничивается высокой энергией, необходимой для диссоциации молекул азота. Некоторые исследователи добились определенных успехов в использовании драгоценных металлов, таких как рутений.
В последнее время перовскиты, в которых некоторые атомы кислорода заменены ионами водорода и азота, были разработаны в качестве эффективных катализаторов синтеза аммиака. Однако традиционный синтез перовскитов с такими замещениями обычно должен проводиться при высоких температурах (более 800 ° C) и в течение длительных периодов времени (недели).
Чтобы решить эти проблемы, в недавнем исследовании, проведенном в Tokyo Tech, группа исследователей под руководством профессора.
Масааки Китано разработал новый метод низкотемпературного синтеза одного из таких кислородзамещенных перовскитов с химическим названием BaCeO3?xNyHz и проверил его эффективность в качестве катализатора для производства аммиака. Для этого они внесли инновационные изменения в процесс синтеза перовскита.
Использование карбоната бария и диоксида церия в качестве прекурсоров (или «ингредиентов») требует очень высокой температуры, чтобы их объединить в базовый перовскит или BaCeO3, поскольку карбонат бария очень стабилен. Кроме того, тогда нужно было бы заменить атомы кислорода ионами азота и водорода. С другой стороны, команда обнаружила, что соединение амид бария легко реагирует с диоксидом церия в потоке газообразного аммиака с прямым образованием BaCeO3?xNyHz при низких температурах и за меньшее время. «Это первая демонстрация восходящего синтеза такого материала, называемого оксинитрид-гидридом перовскитного типа», – поясняет проф.
Китано.
Исследователи сначала проанализировали структуру перовскита, полученного с помощью предлагаемого процесса, а затем протестировали его каталитические свойства для низкотемпературного синтеза аммиака в различных условиях. Предлагаемый материал не только превзошел большинство современных конкурентов в сочетании с рутением, но и значительно превзошел их все в сочетании с более дешевыми металлами, такими как кобальт и железо.
Это дает огромные преимущества как с точки зрения производительности, так и с точки зрения связанных затрат.
Наконец, исследователи попытались выяснить механизмы повышения скорости синтеза аммиака. В целом, идеи, представленные в этом исследовании, служат протоколом для синтеза других типов материалов с замещением ионов азота и водорода и для разумного проектирования катализаторов. «Наши результаты проложат путь к разработке новых стратегий разработки катализаторов для низкотемпературного синтеза аммиака», – заключает проф. Китано.
Мы надеемся, что эти результаты сделают синтез полезных материалов более чистым и энергоэффективным.