Хотя метод производства NH3 в промышленных масштабах, называемый процессом Габера-Боша, существует с начала 20 века, наиболее эффективный на сегодняшний день подход предполагает использование рутения, дорогого и дефицитного металла, в качестве катализатора для запуска необходимых реакции. Недавно профессор Хидео Хосоно и его коллеги из Токийского технологического института (Tokyo Tech), Япония, разработали новую стратегию производства NH3 с использованием лантана (La), гораздо более распространенного элемента, в сочетании с никелем (Ni).
В своей статье, опубликованной в журнале Nature, они объясняют, как они черпали вдохновение из ранее описанного катализатора производства NH3 с формулой Co3Mo3N, который содержит вакансии азота – места, где ожидается присутствие атома азота, но которые на самом деле пусты. Было обнаружено, что эти вакансии облегчают расщепление молекул N2, что привело команду Хосоно к новому направлению исследований более доступных и эффективных катализаторов синтеза NH3.
Он объясняет: «Критическая роль вакансий азота в Co3Mo3N побудила нас рассмотреть другие азотсодержащие материалы, на которых можно легко образовывать вакансии, в качестве основы для новых катализаторов на основе Ni."
Разработанный ими катализатор состоит из кристаллов LaN, наполненных наночастицами Ni.
Ni легко диссоциирует H2 на атомы H. Таким образом, предварительная обработка катализатора H2 легко генерирует атомы H, которые затем реагируют с атомами N в кристаллической структуре с образованием NH3 и создают вакансии N на носителе LaN. Каждый из этих пустых участков затем захватывает атом N из молекулы N2 из входящего газообразного азота, вызывая ослабление связи N-N молекулы. Другой диссоциированный атом H разрывает ослабленную связь N-N, чтобы произвести больше NH3, оставляя атом N позади, чтобы заполнить исходную вакансию. Эти циклы повторяются, тем самым непрерывно генерируя азотные вакансии и поддерживая процесс синтеза.
Эта концепция катализатора с двойным активным центром оказалась очень многообещающей. Предлагаемый катализатор по своим характеристикам намного превосходит характеристики более традиционных катализаторов на основе кобальта и никеля и сравним даже с характеристиками катализаторов на основе рутения: он не только стабильно дает высокие выходы аммиака при умеренных температуре и давлении, его структура сохраняется даже после 100 часов непрерывной реакции, что свидетельствует о его высокой стабильности.
В восторге от результатов, Хосоно отмечает: «Мы ожидаем, что наша работа будет стимулировать дальнейшее изучение конструкций катализаторов, в которых используются более распространенные элементы.
В частности, наши результаты иллюстрируют потенциал использования вакансионных центров в реакционных циклах и указывают на новую концепцию дизайна катализаторов для синтеза аммиака."Надеемся, что эта новообретенная стратегия сделает производство аммиака более простым и доступным, упростив тем самым множество важных производственных процессов.