Gewassen voeden met synthetische ammoniak (NH ₃ ) meststoffen hebben de landbouwopbrengsten steeds hoger opgedreven, maar aan zo'n productiviteit hangt een prijskaartje. Overmatige toepassing van deze chemische stof kan nitraationen (NO ₃ –) concentraties in de bodem -- een potentieel grondwatergif en voedselbron voor schadelijke algenbloei. Verder, industriële productie van ammoniak is een energie-intensief proces dat aanzienlijk bijdraagt ​​aan atmosferische broeikasgassen.

Een onderzoeksteam onder leiding van Miho Yamauchi en Masaki Takata van het RIKEN SPring-8 Center in Harima heeft nu een bijna ideale manier ontdekt om de effecten van ammoniakmeststoffen te ontgiften. Door fotoactieve bimetaal nanokatalysatoren te synthetiseren die waterstofgas genereren uit water met behulp van zonne-energie, het team kan katalytisch NO . omzetten ₃ – terug in NH3 via een efficiënte route zonder uitstoot van kooldioxide.

Vervanging van de zuurstofatomen van NO ₃ – met waterstof is een moeilijke chemische truc, maar chemici kunnen deze prestatie bereiken door nanodeeltjes van koper-palladium (CuPd) legeringen te gebruiken om nitraten aan hun oppervlak te immobiliseren en een reductiereactie met opgeloste waterstofatomen te katalyseren. Echter, de atomaire verdeling aan het oppervlak van de 'nanolegering' beïnvloedt de uitkomst van deze procedure:regio's met grote domeinen van Pd-atomen hebben de neiging om stikstofgas te creëren, terwijl goed gemengde legeringen bij voorkeur ammoniak produceren.

Volgens Yamauchi, de uitdaging bij het synthetiseren van homogeen gemengde CuPd-legeringen is om de timing goed te krijgen - de twee metaalionen transformeren in atomaire toestanden met verschillende snelheden, fasescheiding veroorzaken. Yamauchi en haar team gebruikten de krachtige röntgenstralen van de synchrotron van het SPring-8 Center om de atomaire structuur van CuPd, gesynthetiseerd met harde of milde reagentia, te karakteriseren. Hun experimenten onthulden dat een relatief sterk reductiemiddel, natriumboorhydride genaamd, legeringen gaf met bijna perfecte menging tot nanoschaaldimensies.

De meeste ammoniaksyntheses maken gebruik van waterstofgas geproduceerd uit fossiele brandstoffen, maar het gebruik van zonne-energie door de onderzoekers voorkomt dit. Ze ontdekten dat het afzetten van de nanolegering op lichtgevoelig titaandioxide (TiO ₂ ) leverde een materiaal op dat ultraviolette straling kan omzetten in energetische elektronen; beurtelings, deze elektronen stimuleerden de vorming van waterstofgas uit een eenvoudige water/methanoloplossing. Toen ze nitraationen aan dit mengsel toevoegden, de CuPd/TiO ₂ katalysator zette bijna 80% om in ammoniak - een opmerkelijke chemische selectiviteit die de onderzoekers toeschrijven aan hoge concentraties reactieve waterstof die fotokatalytisch wordt geproduceerd nabij het CuPd-oppervlak.

Yamauchi is ervan overtuigd dat deze aanpak kan helpen de ecologische impact van veel klassieke chemische hydrogeneringsreacties te verminderen. “Gezien de milieuproblemen waarmee we worden geconfronteerd, we moeten overschakelen van chemische synthese met fossiele waterstof naar andere schone processen, ' zegt ze.