Meer dan 100 jaar na de introductie van het Haber-Bosch-proces, wetenschappers blijven zoeken naar alternatieve routes voor de productie van ammoniak die minder energie vragen. Chinese wetenschappers hebben nu ontdekt dat zwarte fosfor een uitstekende katalysator is voor de elektroreductie van stikstof tot ammoniak. Volgens hun studie gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie , gelaagde zwarte fosfor nanosheets zijn een zeer selectieve en efficiënte katalysator in dit proces.

Ammoniak is een essentiële grondstof in alle industriële gebieden, van landbouw tot fijnchemie en de farmaceutische industrie. Al meer dan een eeuw, het is industrieel gesynthetiseerd door het Haber-Bosch-proces, waarbij stikstof uit lucht wordt gereduceerd met waterstof of synthesegas onder hoge druk en temperatuur over een overgangsmetaalkatalysator. Echter, de energievraag van dit proces is zo hoog dat één tot twee procent van de wereldwijde energievoorziening wordt besteed aan de industriële productie van ammoniak.

Onderzoekers zoeken naar mildere alternatieven, die katalysatoren gebruiken die onder omgevingsomstandigheden werken. Vooral metaalvrije alternatieven zijn wenselijk. Een zeer interessante kandidaat is fosfor in zijn laagste reactiviteit, niet-toxische vorm:zwarte fosfor. Dit materiaal is een rijzende ster in elektronische toepassingen vanwege het metaalachtige uiterlijk en ongebruikelijke elektronische eigenschappen. Bovendien, de gebobbelde tweedimensionale plaatachtige structuur kan de nodige randen en plaatsen bieden voor adsorptie en moleculaire activering.

Met dit idee in het achterhoofd, onderzoeker Haihui Wang aan de South China University of Technology, Kanton, China, en collega's, bereide dunne lagen bulk zwarte fosfor, "door een gemakkelijke vloeibare exfoliatiemethode, " zoals vermeld in hun publicatie. De katalysator-nanobladen werden opgenomen in een koolstofvezelelektrode voor elektrolyse. Om voor stikstoftoevoer te zorgen, een hydrochloride-elektrolytoplossing werd verzadigd met stikstof.

Bij het aanleggen van een spanning, de elektrode produceerde gemakkelijk en selectief ammoniak uit stikstof, en de gelaagde zwarte fosfor presteerde zelfs beter dan "de meeste niet-metalen en op metaal gebaseerde katalysatoren die momenteel worden gerapporteerd, " voegden de auteurs eraan toe. De buitengewone activiteit en selectiviteit van dit materiaal worden verklaard door de structuur en energie van de fosforplaten.

Wat is er zo speciaal aan fosfor? Met theoretische berekeningen, de auteurs ontdekten dat de zigzagrangschikking in de fosforlagen, in tegenstelling tot andere gelaagde of vlakke materialen, leverde ideale plaatsen voor stikstofadsorptie en de elektronische structuur aan de randen was het meest geschikt voor binding, activeren, en het verminderen van stikstof door een energiezuinige route.

Na de buitengewone activiteit en selectiviteit van de gelaagde zwarte fosforkatalysator te hebben uitgelegd, de auteurs gaven toe dat - ondanks de over het algemeen goede stabiliteit van zwarte fosfor onder omgevingsomstandigheden - de prestaties ervan op de lange termijn afnamen vanwege oxidatie. "Dus, verdere verbeteringen in het voorkomen van afbraak van zwarte fosfor in de elektrolyt zullen gunstig zijn, ’ concludeerden ze.

Dit werk opent een nieuwe en aantrekkelijke toepassing voor zwarte fosfor. Bij elektrokatalytische stikstofreductie, de prestaties van zwarte fosfor zijn superieur aan andere niet-metalen en zelfs metallische katalysatoren, wat suggereert dat dit materiaal binnenkort een grotere rol kan spelen bij elektrokatalyse. Op tijd, misschien zal zelfs het Haber-Bosch-proces een concurrent hebben.