Истинный механизм аммиачного катализа

Исследователи из Стокгольмского университета достигли прорыва в изучении поверхностей катализаторов при производстве аммиака, преодолев предыдущие проблемы в процессе Хабера-Боша. Это достижение, чему способствует новый прибор фотоэлектронной спектроскопии, обещает более эффективные каталитические материалы для более экологичной химической промышленности и снижения зависимости от ископаемого топлива. Изображение выше иллюстрирует, как каталитическая поверхностная реакция обеспечивает основу для сельского хозяйства. Фото: Дэвид Дегерман, постдоктор кафедры физики Стокгольмского университета.

Ученые из Стокгольмского университета впервые изучили поверхности железных и рутениевых катализаторов при образовании аммиака из азота и водорода. Их результаты, которые предлагают более глубокое понимание каталитического процесса и потенциал для открытия более эффективных материалов, были опубликованы в журнале Nature. Это исследование прокладывает путь к более экологичному сдвигу в химической промышленности, которая в настоящее время характеризуется высокими выбросами CO2.

Аммиак, производимый в процессе Хабера-Боша, в настоящее время является одним из наиболее важных базовых химических веществ в мире для производства удобрений, годовой объем производства которого составляет 110 миллионов тонн. В 2001 году журнал Nature предположил, что процесс Габера-Боша был самым важным научным изобретением человечества в 20 веке, поскольку он спас жизни около 4 миллиардов человек, предотвратив массовый голод. Оценка содержания азота в ДНК и белках нашего тела показывает, что половина атомов может быть получена из Хабера-Боша.

Проблемы изучения процесса Габера-Боша

• «Несмотря на три Нобелевские премии (1918, 1931 и 2007 гг.) за процесс Габера-Боша, не удалось экспериментально исследовать поверхность катализатора поверхностно-чувствительными методами в реальных условиях производства аммиака; экспериментальные методы с поверхностной чувствительностью при достаточно высоких давлениях и температурах были недоступны. Следовательно, различные гипотезы о том, что железный катализатор находится в металлическом или нитридном состоянии, а также о природе промежуточных соединений , важных для механизма реакции, не могут быть однозначно проверены», — говорит Андерс Нильссон, профессор химической физики. в Стокгольмском университете.
• «Это исследование стало возможным благодаря тому, что мы построили в Стокгольме прибор фотоэлектронной спектроскопии, который позволяет изучать поверхности катализатора под высоким давлением. Таким образом, мы смогли наблюдать, что происходит, когда реакция происходит напрямую», — говорит Дэвид Дегерман, постдок по химической физике Стокгольмского университета.
• «Мы открыли новую дверь в понимание катализа производства аммиака с помощью нашего нового прибора, с помощью которого теперь мы можем обнаруживать промежуточные продукты реакции и предоставлять доказательства механизма реакции».

Прибор фотоэлектронной спектроскопии создан в Стокгольмском университете и позволяет исследовать поверхности катализаторов под высоким давлением. Кредит: Питер Амман

• «Размещение нашего стокгольмского прибора на одном из самых ярких источников рентгеновского излучения в мире в PETRA III в Гамбурге имело решающее значение для проведения исследования», — говорит Патрик Лёмкер, научный сотрудник Стокгольмского университета.
• «Теперь мы можем представить будущее с еще более яркими источниками, когда машина будет обновлена до PETRA IV».

Будущие перспективы и воздействие на окружающую среду

«Теперь у нас есть инструменты для проведения исследований, ведущих к созданию новых материалов-катализаторов для производства аммиака, которые можно будет лучше использовать вместе с водородом, получаемым электролизом, для перехода к «зеленой» химической промышленности», — говорит Андерс Нильссон.

«Проводить исследования по теме, которая так связана с историей научного успеха, которая чрезвычайно помогла человечеству, вдохновляет. Я очень хочу продолжить исследования, чтобы найти новые катализаторы, которые могут уменьшить нашу зависимость от ископаемых источников. Только на химическую промышленность приходится 8% мировых выбросов CO2», — говорит Бернадетт Дэвис, аспирант кафедры химии материалов в Стокгольмском университете.

«Долгосрочная перспектива производства аммиака с помощью электрокаталитической альтернативы, которая напрямую приводится в движение солнечной или ветровой энергией, наиболее привлекательна, и теперь у нас есть инструменты, которые могут научно помочь в этом развитии», — говорит Сергей Короидов, научный сотрудник Стокгольмского университета.

Исследование проводилось в сотрудничестве с Deutsches Elektronen-Synchrotron ( DESY ) в Гамбурге и Университетом Монтан в Австрии. В исследовании приняли участие бывшие сотрудники университета Крис Гудвин, Питер Аманн, Михаил Шиплин, Джетт Матисен и Габриэль Родригез.

Источник

Метки: аммиак