Stikstof is een essentiële voedingsstof voor plantengroei. Terwijl ongeveer 80% van de aarde stikstof is, het bevindt zich meestal in de atmosfeer als gas, en daarom, ontoegankelijk voor planten. Om de plantengroei te stimuleren, vooral in agrarische omgevingen, daarom, chemische stikstofmeststoffen nodig zijn. Een cruciale stap in de productie van deze meststoffen is de synthese van ammoniak, waarbij een reactie plaatsvindt tussen waterstof en stikstof in aanwezigheid van een katalysator.

traditioneel, ammoniakproductie is uitgevoerd via het "Haber-Bosch"-proces, die, ondanks dat het effectief is, vereist hoge temperatuuromstandigheden (400-500°C), het proces duur maken. Bijgevolg, wetenschappers hebben geprobeerd een manier te vinden om de reactietemperaturen van ammoniaksynthese te verlagen.

Onlangs, wetenschappers hebben gemeld dat ruthenium - een overgangsmetaal - een efficiënte "katalysator" is voor de synthese van ammoniak, omdat het onder mildere omstandigheden werkt dan traditionele katalysatoren op ijzerbasis. Echter, er is een waarschuwing:stikstofmoleculen moeten aan het katalysatoroppervlak blijven kleven om dissociatie in atomen te ondergaan voordat ze reageren met waterstof om ammoniak te vormen. Voor ruthenium, echter, de lage temperatuur zorgt er vaak voor dat waterstofmoleculen aan het oppervlak blijven kleven - een proces dat waterstofvergiftiging wordt genoemd - dat de productie van ammoniak belemmert. Om met ruthenium te werken, daarom, het is noodzakelijk om de waterstofvergiftiging te onderdrukken.

Gelukkig, bepaalde materialen kunnen de katalytische activiteit van ruthenium versterken wanneer ze worden gebruikt als "katalysatordrager". Een team van wetenschappers van Tokyo Tech, Japan, onthulde onlangs dat lanthanidehydridematerialen van de vorm LnH _2+x is zo'n groep ondersteunende materialen. "De verbeterde katalytische prestaties worden gerealiseerd door twee unieke eigenschappen van het dragermateriaal. Ten eerste, ze doneren elektronen, die de dissociatie van stikstof op het rutheniumoppervlak leiden. Tweede, deze elektronen combineren met waterstof op het oppervlak om hydride-ionen te vormen, die gemakkelijk reageren met stikstof om ammoniak te vormen en de elektronen vrij te geven, het onderdrukken van waterstofvergiftiging van ruthenium, " legt Associate Prof. Maasaki Kitano uit, die de studie leidde.

In de veronderstelling dat de mobiliteit van hydride-ionen een rol zou kunnen spelen bij de synthese van ammoniak, het team, in een nieuwe studie gepubliceerd in Geavanceerde energiematerialen, onderzocht de prestaties van lanthanide-oxyhydriden (LaH _3-2x Ox) - naar verluidt snelle hydride-ionengeleiders bij 100-400 ° C - als dragermateriaal voor ruthenium, met als doel het blootleggen van de relatie tussen ammoniaksynthese en hydride-ionenmobiliteit.

Ze ontdekten dat hoewel de "bulk" hydride-iongeleidbaarheid weinig invloed had op de activering van ammoniaksynthese, de oppervlakte- of "lokale" mobiliteit van hydride-ionen speelde wel een cruciale rol bij katalyse door te helpen een sterke weerstand op te bouwen tegen waterstofvergiftiging van ruthenium. Dat vonden ze ook, vergeleken met andere ondersteunende materialen, lanthaanoxyhydriden vereisten een lagere aanvangstemperatuur voor ammoniakvorming (160°C) en vertoonden een hogere katalytische activiteit.

Verder, het team merkte op dat de aanwezigheid van zuurstof het oxyhydrideraamwerk en de hydride-ionen stabiliseerde tegen nitridatie - de transformatie van lanthaanoxyhydride in lanthaannitride en de daaropvolgende deactivering - die de katalyse neigt te belemmeren en een groot nadeel is bij het gebruik van hydride-dragermaterialen. "De weerstand tegen nitridatie is een enorm voordeel omdat het helpt om het elektronendonerende vermogen van de hydride-ionen voor een langere duur van de reactie te behouden, " merkt prof. Kitano op.

De superieure katalytische prestatie en lagere begintemperatuur van de synthese die worden bereikt met behulp van lanthanide-oxyhydriden, zou dus de veelgevraagde oplossing kunnen zijn om de hitte van de ammoniakproductie te verlagen.