Традиционно производство аммиака осуществлялось с помощью процесса «Габера-Боша», который, несмотря на свою эффективность, требует высоких температурных условий (400-500 ° C), что делает процесс дорогостоящим. Следовательно, ученые пытались найти способ снизить температуру реакции синтеза аммиака.
Недавно ученые сообщили о рутении – переходном металле – как об эффективном «катализаторе» синтеза аммиака, поскольку он работает в более мягких условиях, чем традиционные катализаторы на основе железа.
Однако есть предостережение: молекулы азота должны прилипать к поверхности катализатора, чтобы подвергнуться диссоциации на атомы, прежде чем вступить в реакцию с водородом с образованием аммиака. Однако для рутения низкая температура часто заставляет молекулы водорода вместо этого прилипать к его поверхности – процесс, называемый отравлением водородом, – который препятствует производству аммиака.
Следовательно, для работы с рутением необходимо подавлять его водородное отравление.
К счастью, некоторые материалы могут повысить каталитическую активность рутения при использовании в качестве «носителя катализатора»."Группа ученых из Tokyo Tech, Япония, недавно обнаружила, что материалы на основе гидрида лантаноида в форме LnH2 + x являются одной из таких групп вспомогательных материалов. «Улучшенные каталитические характеристики достигаются за счет двух уникальных свойств материала носителя. Во-первых, они отдают электроны, которые направляют диссоциацию азота на поверхности рутения.
Во-вторых, эти электроны соединяются с водородом на поверхности, образуя ионы гидрида, которые легко вступают в реакцию с азотом с образованием аммиака и высвобождают электроны, подавляя водородное отравление рутения », – объясняет доцент проф. Маасаки Китано, руководивший исследованием.
Подозревая, что подвижность гидрид-иона может играть роль в синтезе аммиака, команда в новом исследовании, опубликованном в Advanced Energy Materials, исследовала характеристики оксигидридов лантаноидов (LaH3-2xOx) – предположительно быстрых проводников гидрид-ионов при 100-400 единицах. ° C – в качестве вспомогательного материала для рутения с целью выявления взаимосвязи между синтезом аммиака и подвижностью гидрид-ионов.
Они обнаружили, что, хотя «объемная» проводимость гидрид-ионов мало влияет на активацию синтеза аммиака, поверхностная или «локальная» подвижность гидрид-ионов действительно играет решающую роль в катализе, помогая создать сильную устойчивость против отравления водородом. рутений.
Они также обнаружили, что по сравнению с другими материалами носителя оксигидриды лантана требуют более низкой температуры начала образования аммиака (160 ° C) и проявляют более высокую каталитическую активность.
Кроме того, команда заметила, что присутствие кислорода стабилизировало оксигидридный каркас и гидрид-ионы против нитридирования – превращения оксигидрида лантана в нитрид лантана и его последующей дезактивации – что имеет тенденцию препятствовать катализу и является основным недостатком использования гидридной подложки. материалы. «Стойкость к азотированию является огромным преимуществом, поскольку помогает сохранить способность гидрид-ионов отдавать электроны в течение более длительного периода реакции», – комментирует профессор. Китано.
Превосходные каталитические характеристики и более низкая температура начала синтеза, достигаемая при использовании оксигидридов лантаноидов, могут, таким образом, быть очень востребованным решением для уменьшения нагрева при производстве аммиака!