Hoe kan een fotokatalysator met water en licht stikstof omzetten in ammoniak? Met internationale samenwerking, onderzoekers uit China en Singapore hebben gekeken naar state-of-the-art engineering van fotokatalysatoren voor stikstof (N2) fixatie om de synthese van ammoniak (NH3) te begrijpen. Het werk is gemeld in Materialen Horizons .

N2 is een van de meest voorkomende gassen op aarde, bestaande uit 78 procent van de atmosfeer. Hoe dan ook, N2 in gasvormige toestand kan door de meeste organismen niet efficiënt worden benut. Daarom, N2 moet worden "gefixeerd" om het bruikbaar te maken door de ultrasterke N≡N drievoudige bindingen te verbreken om het om te zetten in een vorm die door planten kan worden geconsumeerd, dieren en mensen. Daten, er zijn twee typische methoden om de fixatie van N2 te realiseren. De ene is een natuurlijk en bacterieel proces, en een ander, het Haber-Bosch-proces, is synthetisch. De afgelopen 100 jaar, de N2-conversie heeft geleid tot de grootschalige productie van kunstmest en heeft de voedselopname voor de wereldbevolking in stand gehouden.

"Het Haber-Bosch-proces maakt gebruik van hoge temperaturen en drukken, waardoor een enorme hoeveelheid (ongeveer 2 procent) van de wereldwijde voorraad fossiele brandstoffen nodig is. Daarom, we stellen ons voor dat een alternatief proces waarbij nanomaterialen worden gebruikt die lichtenergie absorberen om de natuurlijke fotosynthese in planten na te bootsen, zou kunnen dienen als een paradigmaverschuiving voor het fixeren van stikstof, " zei Dr. Wee-Jun Ong, een onderzoekswetenschapper van het Institute of Materials Research and Engineering (IMRE).

"Vergeleken met het thermochemische katalytische proces, kunstmatige fotosynthese wordt beschouwd als een duurzame manier om hernieuwbare zonne-energie op te slaan in de vorm van energierijke chemische producten, " Ong zei. "De thermodynamische niet-spontane reactie kan worden bereikt via een combinatie van watersplitsing en N2-reductie over een fotokatalysator in de aanwezigheid van zonlicht, " hij legde uit.

In een recent artikel dat verscheen in Materialen Horizons , Ong en zijn collega's presenteren een voortgangsrapport van fotokatalytisch fixeren van N2, die van nature wordt aangewakkerd door de werking van microben. "We classificeren de fotokatalysatoren op basis van de chemische samenstellingen, variërend van metaaloxide tot metaalsulfide, bismut oxyhalogeniden, koolstofhoudende nanomaterialen en andere potentiële materialen. We benadrukken het belang en de relatie tussen de wijziging, b.v. nanoarchitectuur ontwerp, kristal facet techniek, doping, en heterostructurering - en invloeden op de fotokatalytische activiteit van de ontworpen katalysatoren, " merkt Xingzhu Chen op, de eerste auteur van de krant, wie vat de bevindingen samen.

"Afgaande op de bestaande literatuur in dit onderzoeksplatform op dit moment, computerondersteunde katalysatoren die zijn ontworpen via kwantumchemische berekeningen voor de N2-fotofixatie, zouden een robuust hulpmiddel zijn voor het simuleren van elektronische toestanden en reactiepaden naar uitstekende zonlichtabsorptie en de selectieve prestatie van katalyse, ' zei Ong.

Hoewel er momenteel veel factoren zijn die de splitsing en hydrogenering van N2 belemmeren, de reactieomstandigheden zijn in de loop der jaren milder geworden - lucht en zichtbaar licht werden geleidelijk aangenomen als de stikstof- en lichtbron in plaats van pure stikstof en ultraviolette (UV) bestraling. Echter, inzichten in het fotokatalytische reactiemechanisme waren tot nu toe onvoldoende, ondanks de complexiteit van de N2-fixatiereactie. "Geavanceerde in situ- of operando-karakteriseringstechnieken zijn nodig om de atomaire inzichten in reactiviteit te onderzoeken en om de dynamiek van ladingsdragers in de aangeslagen toestand te begrijpen, ' zei Ong.

Wat is het volgende? Onderzoekers hopen te vertalen van laboratoriumschaal naar industriële toepassingen, en de opbrengst aan katalysatoren te vergroten terwijl de intrinsieke structuren voor de commercialisering van hernieuwbare ammoniak behouden blijven.

Dr. Ong zei, "Als we kijken naar de vooruitzichten op lange termijn, we zijn er zeker van dat ons werk een belangrijke basis zal vormen voor het volgende onderzoekstijdperk, niet alleen in de fotokatalytische N2-fixatie specifiek, maar ook op de interdisciplinaire gebieden van de chemie, materiaal kunde, energieconversie en energieopslag."

Afgezien van door zonne-energie aangedreven N2-fixatie, Dr. Ong, Prof. Li en hun teams hebben via experimentele en computationele analyses gezocht naar het slimme ontwerp van fotokatalysatoren die H2O-splitsing en CO2-reductie effectiever en duurzamer kunnen maken door middel van zonne-energie. Er wordt gewerkt aan de omzetting van brandstoffen in zonne-energie.