Perovskieten zijn een klasse van synthetische materialen die een kristallijne structuur hebben die vergelijkbaar is met die van het natuurlijk voorkomende mineraal calciumtitanaat. Ze zijn het onderwerp geweest van vele studies omdat ze opwindende en unieke eigenschappen vertonen die kunnen worden afgestemd op hun samenstelling. Een van hun mogelijke toepassingen is als katalysator voor de synthese van ammoniak. Met andere woorden, specifieke perovskieten kunnen in een reactiekamer met stikstof en waterstof worden geplaatst om de reactie van deze gassen tot ammoniak te bevorderen.

Ammoniak is een nuttige stof die kan worden gebruikt bij de productie van meststoffen en kunstmatige chemicaliën, en zelfs als schone energiedrager in de vorm van waterstof, die de sleutel kunnen zijn in milieuvriendelijke technologieën. Echter, er zijn verschillende uitdagingen verbonden aan de synthese van ammoniak en perovskieten zelf.

De synthesesnelheid voor ammoniak wordt over het algemeen beperkt door de hoge energie die nodig is om stikstofmoleculen te dissociëren. Sommige onderzoekers hebben enig succes gehad met het gebruik van edele metalen zoals ruthenium. Onlangs, perovskieten met een deel van hun zuurstofatomen vervangen door waterstof- en stikstofionen zijn ontwikkeld als efficiënte katalysatoren voor ammoniaksynthese. Echter, de traditionele synthese van perovskieten met dergelijke substituties moet meestal worden uitgevoerd bij hoge temperatuur (meer dan 800 graden Celsius) en gedurende lange perioden (weken).

Om deze problemen aan te pakken, in een recente studie uitgevoerd door Tokyo Tech, een groep onderzoekers onder leiding van prof. Masaaki Kitano bedacht een nieuwe methode voor de synthese bij lage temperatuur van een van dergelijke met zuurstof gesubstitueerde perovskiet met de chemische naam BaCeO _3-x N _ja H _z en testte zijn prestaties als katalysator om ammoniak te produceren. Om dit te behalen, ze hebben een innovatieve wijziging aangebracht in het perovskietsyntheseproces. Het gebruik van bariumcarbonaat en ceriumdioxide als voorlopers gaat gepaard met een zeer hoge temperatuur, die nodig is om ze te laten combineren tot de basis perovskiet, of BaCeO ₃ , omdat bariumcarbonaat zeer stabiel is. In aanvulling, het is noodzakelijk om de zuurstofatomen te vervangen door stikstof- en waterstofionen. Anderzijds, het team ontdekte dat de verbinding bariumamide gemakkelijk reageert met ceriumdioxide onder ammoniakgasstroom om direct BaCeO te vormen _3-x N _ja H _z bij lage temperaturen en in minder tijd. "Dit is de eerste demonstratie van een bottom-up synthese van een dergelijk materiaal, aangeduid als perovskiet-type oxynitride-hydride, " legt prof. Kitano uit.

De onderzoekers analyseerden eerst de structuur van het perovskiet verkregen door het voorgestelde proces en testten vervolgens de katalytische eigenschappen ervan voor de synthese van ammoniak bij lage temperatuur onder verschillende omstandigheden. Niet alleen presteerde het voorgestelde materiaal beter dan de meeste geavanceerde concurrenten in combinatie met ruthenium, maar het overtrof ze ook enorm in combinatie met goedkopere metalen zoals kobalt en ijzer. Dit vertegenwoordigt enorme voordelen in termen van zowel prestaties als bijbehorende kosten.

Eindelijk, de onderzoekers probeerden de mechanismen achter de verbeterde synthesesnelheid voor ammoniak op te helderen. Algemeen, het inzicht in deze studie dient als een protocol voor de synthese van andere soorten materialen met stikstof- en waterstofionsubstituties en voor het intelligente ontwerp van katalysatoren. "Onze resultaten zullen de weg vrijmaken voor nieuwe strategieën voor het ontwerpen van katalysatoren voor de synthese van ammoniak bij lage temperatuur, " concludeert prof. Kitano. Deze bevindingen zullen hopelijk de synthese van nuttige materialen schoner en energiezuiniger maken.

De studie is gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .