Door de huidige wereldwijde klimaatnoodsituatie en onze snel afnemende energiebronnen zijn mensen op zoek naar schonere alternatieven zoals waterstofbrandstof. Bij verbranding in aanwezigheid van zuurstof, waterstofgas genereert enorme hoeveelheden energie, maar geen van de schadelijke broeikasgassen, in tegenstelling tot fossiele brandstoffen. Helaas, het grootste deel van de waterstof die tegenwoordig wordt geproduceerd, is afkomstig van aardgas of fossiele brandstoffen, wat uiteindelijk zijn ecologische voetafdruk vergroot.

Ammoniak (NH ₃ ), een koolstofneutrale waterstofverbinding, heeft de laatste tijd veel aandacht gekregen, vanwege de hoge energiedichtheid en de hoge waterstofopslagcapaciteit. Het kan worden afgebroken om stikstof- en waterstofgassen vrij te maken. Ammoniak kan gemakkelijk vloeibaar worden gemaakt, opgeslagen, vervoerd, en indien nodig omgezet in waterstofbrandstof. Echter, de productie van waterstof uit ammoniak is een langzame reactie met een zeer hoge energiebehoefte. Om de productie te versnellen, metaalkatalysatoren worden vaak gebruikt, die ook helpen het totale energieverbruik tijdens de waterstofproductie te verminderen.

Recente studies hebben aangetoond dat nikkel (Ni) een veelbelovende katalysator is voor het splitsen van ammoniak. Ammoniak wordt geadsorbeerd op het oppervlak van Ni-katalysatoren, waarna de bindingen tussen stikstof en waterstof in ammoniak worden verbroken en als afzonderlijke gassen vrijkomen. Echter, het verkrijgen van een goede omzetting van ammoniak met behulp van een Ni-katalysator gaat vaak gepaard met zeer hoge bedrijfstemperaturen.

In een recente studie gepubliceerd in ACS Katalyse , een team van onderzoekers van Tokyo Tech, onder leiding van universitair hoofddocent Masaaki Kitano, beschreef een oplossing om de problemen van op Ni gebaseerde katalysatoren op te lossen. Ze ontwikkelden een state-of-the-art calciumimide (CaNH)-ondersteunde Ni-katalysator die een goede ammoniakconversie kan bereiken bij lagere bedrijfstemperaturen. Dr. Kitano legt uit, "Ons doel was om een ​​zeer actieve katalysator te ontwikkelen die energiezuinig zou zijn. Onze toevoeging van het metaalimide aan het katalysatorsysteem verbeterde niet alleen de katalytische activiteit, maar hielp ons ook het ongrijpbare werkingsmechanisme van dergelijke systemen te ontrafelen."

Het team ontdekte dat de aanwezigheid van CaNH resulteerde in de vorming van NH ^2- vacatures (V _NH ) op het oppervlak van de katalysator. Deze actieve soorten resulteerden in de verbeterde katalytische prestatie van het Ni/CaNH bij reactietemperaturen die 100°C lager waren dan die nodig zijn voor het functioneren van op Ni gebaseerde katalysatoren. De onderzoekers ontwikkelden ook rekenmodellen en voerden isotopenlabels uit om te begrijpen wat er op het katalysatoroppervlak gebeurde. De berekeningen stelden een Mars−van Krevelen-mechanisme voor waarbij ammoniak op het CaNH-oppervlak werd geabsorbeerd, de activering ervan bij de NH ^2- vacaturesites, vorming van stikstof en waterstofgas, en ten slotte regeneratie van vacaturesites gepromoot door Ni-nanodeeltjes.

De zeer actieve en duurzame Ni/CaNH-katalysator kan met succes worden ingezet voor de opwekking van waterstofgas uit ammoniak. Ook, het inzicht in het mechanisme van katalyse dat door deze studie wordt verschaft, kan worden gebruikt om een ​​nieuwe generatie katalysatoren te ontwikkelen. "Omdat de hele wereld samenwerkt aan een duurzame toekomst, ons onderzoek is gericht op het oplossen van de problemen op onze weg naar een schoner waterstofbrandstofverbruik, " concludeert Dr. Kitano.

Dit is een sprankje hoop voor de missie van de wereld met een lage CO2-uitstoot.