Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) onderzoeken hoe stikstofvacatures in katalysatoren deelnemen aan de synthese van ammoniak, een cruciale chemische stof in de kunstmestindustrie. Ze bedachten een algemene regel voor het slimme ontwerp van op nitride gebaseerde katalysatoren op basis van hun stikstofvacaturevormingsenergie en creëerden een hoogwaardige katalysator voor ammoniaksynthese met behulp van cerium, een overvloedig overgangsmetaal.

Ammoniak (NH ₃ ) is een van nature voorkomende chemische stof in het milieu, maar het wijdverbreide gebruik ervan als een belangrijk ingrediënt in verschillende productieprocessen heeft het tot een van de meest geproduceerde chemicaliën gemaakt. Het is cruciaal bij de productie van meststoffen en helpt de opbrengst van verschillende gewassen te verhogen. Door de grote vraag, ruim 150 miljoen ton NH ₃ worden jaarlijks geproduceerd. Niet verrassend, scheikundigen zijn actief op zoek naar milieuvriendelijke en energiezuinige manieren om NH . te synthetiseren ₃ .

De conventionele manier om NH . te produceren ₃ is door direct stikstof te gebruiken (N ₂ ) en waterstof (H ₂ ) gassen. Maar, het verbreken van de sterke binding tussen N-atomen is een uitdaging. Hier komen katalysatoren (materialen die de nodige reacties mogelijk maken) om de hoek kijken. Helaas, de best presterende katalysator van vandaag voor NH ₃ synthese vereist ruthenium, een zeldzaam en duur metaal. In een poging om alternatieven te vinden, wetenschappers van Tokyo Tech, waaronder Dr. Tian-Nan Ye, Prof Masaaki Kitano, en prof. Hideo Hosono, hebben onlangs geprobeerd uit te vinden wat een goede katalysator is voor het breken van N ₂ en het produceren van NH ₃ .

In een eerder artikel gepubliceerd in Natuur , Hosono en collega's hadden een nieuwe strategie gepresenteerd om NH . te produceren ₃ waarbij gebruik werd gemaakt van lanthaannitride (LaN) in combinatie met nikkel (Ni) nanodeeltjes. De belangrijkste bijdrage van deze studie was het besef dat stikstofvacatures een belangrijke rol spelen in het katalytische proces, waardoor ze een op La gebaseerde katalysator konden ontwerpen met een prestatie die vergelijkbaar is met die van op ruthenium gebaseerde. In een recente studie, gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society , het onderzoeksteam ging nog verder met hun bevindingen en onderzocht of de energie die nodig is om deze stikstofvacatures te produceren, uiteindelijk de prestaties van katalysatoren tijdens NH bepaalt ₃ productie.

De stikstofvacatures in het oppervlak van de katalysator kunnen gemakkelijk N . opvangen ₂ en verzwakken de N-N binding, waarna atomen gedissocieerd van H ₂ bij de Ni springen nanodeeltjes op het uitstekende N-atoom om NH . te produceren ₃ . In aanvulling, gedissocieerde H-atomen kunnen ook NH . vormen ₃ direct met behulp van N-atomen van het kristallijne rooster van de katalysator zelf, waardoor nieuwe stikstofvacatures ontstaan. Na het succes van hun vorige Ni/LaN-katalysator, in dit onderzoek, ze creëerden en vergeleken vergelijkbare katalysatoren met verschillende energieën voor de vorming van stikstofvacatures (ENV).

Onder de geteste katalysatoren, Ni-geladen ceriumnitride (CeN) vertoonde de beste katalytische prestaties vanwege de relatief lage ENV. De prestaties van de andere geteste materialen waren ook direct gerelateerd aan hun respectieve ENV. Enthousiast over de resultaten, Prof Hosono merkt op, "We kunnen nu een algemene regel voorstellen voor het ontwerp van op nitride gebaseerde katalysatoren voor NH ₃ synthese, waarin hun ENV hun katalytische prestaties domineert." de katalytische activiteit van Ni/CeN was vergelijkbaar met die van op ruthenium gebaseerde katalysatoren, vertegenwoordigen een potentieel milieuvriendelijk alternatief gemaakt van materialen die overvloediger zijn.

Bovendien, het team merkte ook op dat het laden van Ni op CeN niet eens nodig was; stikstofvacatures in CeN kunnen ook de dissociatie van H . veroorzaken ₂ moleculen. "CeN op zichzelf en met Ni-lading bleek de meest efficiënte en stabiele katalysatoren voor ammoniaksynthese te produceren tussen de verschillende nitridekatalysatoren die we hebben onderzocht, " legt Ye uit. Het team is hoopvol dat het inzicht dat uit deze studie is verkregen, ook nuttig kan zijn in andere toepassingen dan ammoniaksynthese. Kitano concludeert:"Het begrijpen van de rol van nitriden kan licht werpen op het ontwerp en de ontwikkeling van efficiënte op overgangsmetaal gebaseerde katalysatoren voor andere chemische processen."