Eine bahnbrechende Studie untersucht Ba-Si Orthosilicat Oxynitrid-Hydrid (BA3Siio5 – xNyHz) als nachhaltiger Katalysator für die Ammoniaksynthese, die eine potenzielle Alternative zu herkömmlichen Systemen auf Metallbasis bietet. Diese Verbindungen synthetisiert durch Solid-State-Reaktionen mit niedriger Temperature und mit Ruthenium-Nanopartikeln verstärkt. Sie zeigten unter milderen Bedingungen eine verbesserte katalytische Leistung und bieten einen energieeffizienten Weg zur Ammoniakproduktion. Dieser Ansatz befasst sich auch mit den mit herkömmlichen Methoden verbundenen Umweltherausforderungen und signalisiert eine Verschiebung zu grüneren industriellen Praktiken in der Ammoniakproduktion.
Wenn sich die Welt in Richtung Nachhaltigkeit bewegt, wächst die Nachfrage nach effizienten Alternativen in den Branchen weiter. Ammoniak, eine wichtige Chemikalie, die in Düngemitteln, Sprengstoff und verschiedenen anderen Produkten verwendet wird, wird hauptsächlich durch den energieintensiven Haber-Bosch-Prozess synthetisiert. Dieser Prozess erfordert extrem hohe Temperaturen und Drucke, was zu globalen Kohlendioxidemissionen beiträgt. Herkömmliche Katalysatoren wie Eisen und Ruthenium verlassen sich auf diese harten Bedingungen, um die Reaktion voranzutreiben. Eine aktuelle Studie von Forschern des Institute of Science Tokyo, dem National Institute for Materials Science, und der Tohoku University, Japan, unter der Leitung von Professor Masaaki Kitano, erforscht jedoch BA3Siio5 – xNyHz Katalysator als nachhaltige Alternative zu traditionellen Katalysatoren, die die Ammoniaksynthese möglicherweise revolutionieren.
Leerstellen, insbesondere Anionenleber innerhalb der dreidimensionalen Struktur von Katalysatoren, fungieren als aktive Stellen. Diese aktiven Stellen sind energisch am Katalyseprozess beteiligt. Ohne das Vorhandensein von Übergangsmetallstellen sind jedoch nicht wirksam. Diese Einschränkung inspirierte die Forscher, einen übergangsfreien Katalysator zu entwickeln.
Online veröffentlicht in Naturchemie Am 17. Februar 2025 zielt die Studie darauf ab, effizientere, nachhaltige Ammoniaksynthesemethoden zu entwickeln. Kitano erklärt: „Wir haben uns auf Tribarium Silicat (BA“ konzentriert3Siio5) Für die Synthese unseres neuartigen Katalysators aufgrund seiner einzigartigen Kristallstruktur und chemischen Eigenschaften, die das Potenzial zur geringeren Energiebedanz und die Verringerung der Betriebsbedingungen bieten, „beschreiben Sie den ersten Schritt in ihrer Forschung. Um die Umwelt- und Energieherausforderungen zu bewältigen, die durch die konventionelle Synthese gestellt werden Methoden, das Forschungsteam entwickelte und testete verschiedene Materialien mit gemischtem Anion.
Die Studie wurde in mehreren Phasen fortgeschritten. Erstens synthetisierten die Forscher einen neuartigen Ba-Si Oxynitrid-Hydrid, BA3Siio5 – xNyHzdurch eine Niedertemperatur (400-700 ° C) Festkörperreaktion von Bariumamid mit Siliziumdioxid. Die resultierende chemische Zusammensetzung wurde als ba bestimmt3Siio2.87N0,80H1.86. Diese Synthesetemperatur ist viel niedriger als die Synthesetemperaturen (1100-1400 ° C) herkömmlicher Silikatmaterialien wie BA3Siio5Ba3Und6O9N4und abgestanden2O2N2. Der synthetisierte BA3Siio5 – xNyHz zeigten eine außergewöhnliche Stabilität als Katalysator für die Ammoniaksynthese selbst in Abwesenheit von Übergangsmetallstellen. Es zeigte eine höhere Aktivität und eine geringere Aktivierungsenergie als der konventionelle Ruthenium-MGO-Katalysator. Andererseits Ba3Siio5Ba3Und6O9N4und abgestanden2O2N2 zeigten keine katalytische Aktivität. Der ba3Siio5 – xNyHz Die Ammoniaksyntheseaktivität von Catalyst wurde unter unterschiedlichen Temperaturen und Drücken getestet, und die strukturellen Eigenschaften wurden unter Verwendung fortschrittlicher Instrumententechniken analysiert.
Um die Leistung weiter zu verbessern, wurden Ruthenium -Nanopartikel eingeführt. Die Forscher fanden heraus, dass BA3Siio5 – xNyHz zeigten die höchste katalytische Aktivität mit Ruthenium -Nanopartikeln. „Die Zugabe von Ruthenium -Nanopartikeln steigerte die katalytische Leistung signifikant und ermöglicht die effizientere Ammoniaksynthese unter milderen Bedingungen. Das wichtigste aktive Zentrum ist jedoch nicht Ruthenium -Nanopartikel, sondern die Anion -Leerstandsstellen auf BA3Siio5 – xNyHzDies reduziert den scheinbaren Energiebedarf für die Ammoniaksynthese als konventionelle Katalysatoren. Wir haben auch festgestellt, dass der Anion-Leerstandsmechanismus eine Schlüsselrolle bei der Erleichterung der Stickstoffaktivierung spielte, ohne sich auf Übergangsmetalle zu stützen „, sagt Kitano. Diese Befunde deuten auf einen nachhaltigeren und energieeffizienteren Weg für die Ammoniaksynthese hin.
In der Studie werden wichtige Vorteile hervorgehoben: Reduzierte Temperatur und Druck verbessern die Effizienz, während der Übergangsmetall-freier Weg die Emissionen und die Ressourcenabhängigkeit unterbrochen und die Nachhaltigkeit unterstützt. Darüber hinaus die skalierbare Synthese und die robuste Leistung von BA3Siio5 – xNyHz Katalysatoren positionieren sie als vielversprechende Kandidaten für die industrielle Einführung und bieten einen nachhaltigeren Ansatz für die Ammoniakproduktion im Maßstab. Diese Ergebnisse eröffnen auch Wege für weitere Forschungsergebnisse zur metallfreien Übergangskatalyse für andere kritische Prozesse.
Diese Studie stellt einen erheblichen Schritt in Richtung einer nachhaltigen Ammoniaksynthese dar, die sich mit einer großen Herausforderung in der industriellen Chemie befasst. Durch Demonstration des Potenzials des BA3Siio5 – xNyHz Katalysator, die Forscher haben die Grundlage für einen grüneren und effizienteren Ansatz zur Herstellung von Ammoniak, eine wesentliche Chemikalie, gelegt. Da die weltweite Nachfrage nach Ammoniak weiter steigt, werden solche Innovationen bei einer nachhaltigeren Zukunft maßgeblich dazu beigetragen.
