Ammoniak (NH ₃ ) is een van de meest geproduceerde chemicaliën ter wereld, vanwege het gebruik als belangrijk ingrediënt in een breed scala van industriële productieprocessen. Bijvoorbeeld, het is cruciaal bij de productie van meststoffen, en meer dan 150 miljoen ton ervan wordt elk jaar toegepast om de opbrengsten van verschillende gewassen te verhogen. Ammoniak wordt van nature geproduceerd door veel levende organismen, maar kunstmatig synthetiseren met stikstof (N ₂ ) en waterstof (H ₂ ) gassen is een uitdaging omdat de sterke binding tussen N-atomen moeilijk te verbreken is.

Terwijl een methode om NH . te produceren ₃ op industriële schaal, het Haber-Bosch-proces genoemd, bestaat sinds het begin van de 20e eeuw, de best presterende aanpak van vandaag omvat het gebruik van ruthenium, een duur en schaars metaal, als katalysator om de nodige reacties op gang te brengen. Onlangs, Prof Hideo Hosono en collega's van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, hebben een nieuwe strategie ontwikkeld om NH . te produceren ₃ met behulp van lanthaan (La), een veel overvloediger element, in combinatie met nikkel (Ni).

In hun krant gepubliceerd in Natuur , ze leggen uit hoe ze inspiratie putten uit een eerder gemeld NH ₃ productiekatalysator met de formule Co ₃ Mo ₃ N, die stikstofvacatures draagt ​​- locaties waar de aanwezigheid van een stikstofatoom zou worden verwacht, maar die in werkelijkheid leeg zijn. Deze vacatures werden waargenomen om de splitsing van N . te maken ₂ moleculen gemakkelijker, waardoor het team van Hosono een nieuwe onderzoeksrichting insloeg voor meer direct beschikbare en effectieve NH ₃ synthese katalysatoren. Hij legt uit:"De cruciale rol van de stikstoftekorten in Co ₃ Mo ₃ N inspireerde ons om andere stikstofhoudende materialen te overwegen waarop gemakkelijk vacatures kunnen worden gegenereerd als basis voor nieuwe op Ni gebaseerde katalysatoren."

De katalysator die ze ontwikkelden bestaat uit LaN-kristallen beladen met Ni-nanodeeltjes. De Ni dissocieert gemakkelijk H ₂ in H-atomen. Dus, voorbehandeling van de katalysator met H ₂ genereert gemakkelijk H-atomen, die vervolgens reageren met de N-atomen in de kristalstructuur om NH . te vormen ₃ en creëer N vacatures op de LaN-ondersteuning. Elk van deze lege plaatsen vangt vervolgens een N-atoom van een N ₂ molecuul uit het ingevoerde stikstofgas, waardoor de N-N-binding van het molecuul verzwakt. Een ander gedissocieerd H-atoom verbreekt de verzwakte N-N-binding om meer NH . te produceren ₃ , een N-atoom achterlatend om de oorspronkelijke vacature in te vullen. Deze cycli herhalen zich, waardoor continu stikstofvacatures worden gegenereerd en het syntheseproces wordt ondersteund.

Dit concept van een "dual active site"-katalysator bleek veelbelovend. De prestaties van de voorgestelde katalysator overtreffen die van meer conventionele katalysatoren op kobalt- en nikkelbasis en zijn zelfs vergelijkbaar met die van op ruthenium gebaseerde katalysatoren:het produceert niet alleen consistent hoge opbrengsten aan ammoniak bij matige temperatuur en druk, de structuur blijft behouden, zelfs na 100 uur continue reactie, waaruit zijn hoge stabiliteit blijkt.

Hosono zegt, "We verwachten dat ons werk de verdere verkenning van katalysatorontwerpen die gebruik maken van meer overvloedige elementen zal stimuleren. onze resultaten illustreren het potentieel van het gebruik van lege locaties in reactiecycli en wijzen op een nieuw ontwerpconcept voor katalysatoren voor ammoniaksynthese."

De nieuwe strategie zou de productie van ammoniak eenvoudiger en betaalbaarder kunnen maken, waardoor een groot aantal belangrijke industriële processen wordt vereenvoudigd.