Аммиак фосфорным катализом: синтез аммиака электровосстановлением азота на нанолистах черного фосфора

Аммиак является важным сырьем во всех промышленных областях, от сельского хозяйства до тонкой химии и фармацевтической промышленности. Более века он был синтезирован в промышленном масштабе по процессу Габера-Боша, в котором азот из воздуха восстанавливается водородом или синтез-газом при высоком давлении и температуре на катализаторе из переходного металла.

Однако потребность в энергии для этого процесса настолько высока, что от одного до двух процентов мирового энергоснабжения приходится на промышленное производство аммиака.
Исследователи ищут более мягкие альтернативы, в которых используются катализаторы, работающие в условиях окружающей среды. Особенно желательны безметалловые альтернативы. Очень интересным кандидатом является фосфор в его самой низкой реакционной, нетоксичной форме: черный фосфор.

Этот материал – восходящая звезда в электронных приложениях из-за его металлического внешнего вида и необычных электронных свойств. Более того, его гофрированная двумерная пластинчатая структура может обеспечивать необходимые края и участки для адсорбции и молекулярной активации.
Помня об этой идее, исследователь Хайхуэй Ван из Южно-Китайского технологического университета, Гуанчжоу, Китай, и его коллеги подготовили тонкие слои объемного черного фосфора «с помощью метода легкого жидкого отшелушивания», как указано в их публикации.

Нанолисты катализатора были включены в электрод из углеродного волокна для электролиза. Для подачи азота раствор гидрохлоридного электролита насыщали азотом.

При приложении напряжения электрод легко и селективно производил аммиак из азота, а многослойный черный фосфор даже превосходил «большинство неметаллических катализаторов и катализаторов на основе металлов, о которых сообщалось в настоящее время», – добавили авторы. Необычайная активность и избирательность этого материала объясняются структурой и энергетикой фосфорных пластин.

Что такого особенного в фосфоре? С помощью теоретических расчетов авторы обнаружили, что зигзагообразное расположение в слоях фосфора, в отличие от других слоистых или плоских материалов, обеспечивает идеальные места для адсорбции азота, а электронная структура на краях лучше всего подходит для связывания, активации и восстановления азота за счет путь с низким энергопотреблением.
Объяснив необычайную активность и селективность слоистого катализатора на основе черного фосфора, авторы признали, что, несмотря на в целом хорошую стабильность черного фосфора в условиях окружающей среды, его характеристики в долгосрочной перспективе ухудшились из-за окисления. «Таким образом, дальнейшие улучшения в предотвращении разложения черного фосфора в электролите будут полезны», – заключили они.

Эта работа открывает новое и привлекательное применение черного фосфора. При электрокаталитическом восстановлении азота черный фосфор превосходит другие неметаллические и даже металлические катализаторы по своим характеристикам, что позволяет предположить, что вскоре этот материал может играть большую роль в электрокатализе.

Со временем, возможно, даже у процесса Габера-Боша появится конкурент.

OKA-MOS.RU