Японские ученые предложили новый катализатор синтеза аммиака Ba3SiO5-xNyHz в качестве альтернативы уже существующим. Проведение синтеза с использованием предложенного катализатора требует меньших температур и давлений и может существенно повысить эффективность промышленного получения аммиака — важнейшего химического соединения. Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry.
Аммиак — ключевое химическое вещество, используемое в удобрениях, химической промышленности и медицине. В настоящее время аммиак в промышленности получают с помощью энергоемкого процесса Габера — Боша, в котором атмосферный азот (N2) связывается с водородом (H2) с образованием аммиака (NH3). Этот процесс требует высоких температур (300–500 °C) и давлений (60–180 бар), что приводит к глобальным выбросам углекислого газа. Помимо этого, необходимо использовать катализаторы — вещества, ускоряющие химическую реакцию. Катализатор не участвует в химической реакции и не расходуется, но обеспечивает условия для ее протекания. В настоящее время при синтезе аммиака используются катализаторы на основе переходных металлов, в основном железа или рутения, — в отсутствие переходных металлов существующие катализаторы неэффективны. Это ограничение вдохновило исследователей на разработку катализатора, не содержащего переходных металлов.
Группа японских ученых попыталась решить экологические и энергетические проблемы, связанные с традиционными методами синтеза. Химики разработали и протестировали ряд соединений, которые могли бы быть перспективными катализаторами.
Исследование проходило в несколько этапов. На первой стадии ученые синтезировали новое соединение на основе бария и кремния Ba3SiO5-xNyHz путем низкотемпературной (400–700 °C) твердофазной реакции. Полученный химический состав был определен как Ba3SiO2.87N0.80H1.86. Температура синтеза была значительно ниже, чем температура синтеза обычных силикатных материалов (1100–1400 °C), таких как Ba3SiO5, Ba3Si6O9N4, и BaSi2.
«Мы сосредоточились на силикате трибария (Ba3SiO5) для синтеза нашего нового катализатора благодаря его уникальной кристаллической структуре и химическим свойствам, которые позволяют снизить энергозатраты и условия эксплуатации», — описывает начальный этап исследования руководитель научной группы Масааки Китано из Токийского университета науки.
Синтезированный Ba3SiO5-xNyHz обладает исключительной стабильностью в качестве катализатора синтеза аммиака даже в отсутствие каких-либо добавок. Он продемонстрировал более высокую активность и более низкую энергию активации, чем обычный MgO-катализатор, содержащий рутений. Активность катализатора Ba3SiO5-xNyHz в синтезе аммиака протестировали при различных значениях температуры и давления, а структурные свойства установили с помощью передовых методов измерения.
Чтобы улучшить характеристики полученного катализатора, ученые добавили к нему наночастицы рутения. Исследователи обнаружили, что Ba3SiO5-xNyHz продемонстрировал еще более высокую каталитическую активность при использовании наночастиц рутения.
«Добавление наночастиц рутения значительно повысило каталитические характеристики, что позволило более эффективно синтезировать аммиак в более мягких условиях. Однако основным активным центром являются не наночастицы рутения, а анионные вакансии на Ba3SiO5-xNyHz, что снижает потребность в энергии для синтеза аммиака по сравнению с обычными катализаторами», — комментирует Масааки Китано. Эти результаты указывают на более устойчивый и энергоэффективный способ синтеза аммиака.
Предложенный подход синтеза аммиака обладает рядом преимуществ. Снижение температуры и давления повышает эффективность, а технология, не содержащая переходных металлов, сокращает выбросы и зависимость от ресурсов. Кроме того, возможность масштабируемого синтеза катализатора Ba3SiO5-xNyHz делает его перспективными кандидатом для промышленного применения. Результаты также открывают возможности для дальнейших исследований в области катализа без использования переходных металлов для других важнейших процессов.
Опубликованное исследование представляет собой значительный шаг на пути к устойчивому синтезу аммиака, решая одну из основных задач промышленной химии. Продемонстрировав потенциал катализатора Ba3SiO5-xNyHz, исследователи заложили основу для более экологичного и эффективного подхода к производству аммиака. Поскольку мировой спрос на аммиак продолжает расти, подобные инновации будут способствовать обеспечению более устойчивого будущего.
Автор: Елизавета Логутенкова.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
