Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hebben een verbeterde katalysator ontwikkeld door het gebruikelijke dehydratatiemiddel calciumhydride te nemen en er fluoride aan toe te voegen. De katalysator vergemakkelijkt de synthese van ammoniak bij slechts 50 °C, door slechts de helft van de energie te gebruiken die bestaande technieken nodig hebben. Dit opent deuren naar ammoniakproductie met een laag energieverbruik en verminderde uitstoot van broeikasgassen.

Ammoniak is essentieel voor het maken van plantenmest, die op zijn beurt ongeveer 70% van de wereldbevolking voedt. In industrie, ammoniak wordt geproduceerd via het Haber-Bosch-proces, waar methaan eerst wordt omgezet met stoom om waterstof te produceren, en waterstof wordt vervolgens omgezet met stikstof om ammoniak te geven. Het probleem met dit proces is dat naarmate de temperatuur stijgt, het rendement daalt. Om een ​​goed rendement te blijven behalen, de in de reactiekamer toegepaste druk moet worden verhoogd. Dit vraagt ​​veel energie. Verder, de op ijzer gebaseerde katalysatoren die voor de reactie worden gebruikt, zijn alleen effectief boven 350 ° C. Het handhaven van dergelijke hoge temperaturen vereist ook een aanzienlijke hoeveelheid energie. Als klap op de vuurpijl de opbrengst is slechts 30-40%.

Fossiele brandstoffen worden momenteel gebruikt om het proces aan te drijven, grote hoeveelheden koolstofdioxide aan de atmosfeer bijdragen. Alternatieven voor hernieuwbare bronnen, zoals windenergie, Zijn toegepast, maar die zijn niet duurzaam gebleken. Om de opbrengst te verhogen en tegelijkertijd de schade aan het milieu te verminderen, daarom, de reactie moet bij lage temperaturen plaatsvinden. Om dit te laten gebeuren, katalysatoren die de reactie bij lage temperaturen mogelijk maken, zijn vereist.

Tot dusver, dergelijke katalysatoren zijn ongrijpbaar geweest voor wetenschappers. "Conventionele katalysatoren verliezen de katalytische activiteit voor ammoniakvorming uit N ₂ en H ₂ gassen bij 100-200 °C, zelfs als ze hoge katalytische prestaties vertonen bij hoge temperaturen, " merkt een groep wetenschappers van Tokyo Tech op, Japan, die het katalysatorprobleem eindelijk lijken te hebben opgelost. De wetenschappers, geleid door Dr. Michikazu Hara, een katalysator ontwikkeld die zelfs bij 50 °C effectief is. "Onze katalysator produceert ammoniak uit N ₂ en H ₂ gassen bij 50 °C met een extreem kleine activeringsenergie van 20 kJmol ^-1 , wat minder is dan de helft van wat is gerapporteerd voor conventionele katalysatoren, " Dr. Hara en collega's rapporteren in hun paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Hun katalysator bestaat uit een vaste oplossing van CaFH, met ruthenium (Ru) nanodeeltjes afgezet op het oppervlak. De toevoeging van fluoride (F ^- ) tot calciumhydride (CaH ₂ ), een veelgebruikt dehydratatiemiddel, is wat de katalysator effectief maakt bij lagere temperaturen en drukken. Na het uitvoeren van spectroscopische en computationele analyses, de wetenschappers stellen een mogelijk mechanisme voor waarmee de katalysator de ammoniakproductie vergemakkelijkt.

De calcium-fluoride (Ca-F) binding is sterker dan de calcium-waterstof (Ca-H) binding. Dus, de aanwezigheid van de Ca-F-binding verzwakt de Ca-H-binding en de Ru kan H-atomen uit het katalysatorkristal halen, elektronen op hun plaats laten. De H-atomen desorberen vervolgens van de Ru-nanodeeltjes als H ₂ gas. Dit gebeurt zelfs bij 50°C. De resulterende ladingsafstoting tussen de gevangen elektronen en F ^- ionen in het kristal verlagen de energiebarrières voor deze elektronen om vrij te geven, waardoor het materiaal een hoog elektronendonerend vermogen krijgt. Deze vrijgekomen elektronen vallen de bindingen tussen de stikstofatomen in de N . aan ₂ gas, het vergemakkelijken van de productie van ammoniak.

Deze nieuwe methode van ammoniakproductie vermindert de energiebehoefte, waardoor de uitstoot van kooldioxide door het gebruik van grote hoeveelheden fossiele brandstoffen wordt verminderd. De bevindingen van deze studie belichten de mogelijkheid van een ecologisch duurzaam Haber-Bosch-proces, de deur openen naar de volgende revolutie in de voedselproductie in de landbouw.