NH3 ist eine der wichtigsten Chemikalien in der heutigen Welt, da es bei der Herstellung von Düngemitteln verwendet wird, um die landwirtschaftlichen Renditen zu steigern und die ständig wachsende Weltbevölkerung aufrechtzuerhalten. Seit über 100 Jahren NH3 Die Produktion hat sich auf den Haber-Bosch-Prozess (HB) verlassen, der Stickstoff kombiniert (N.2) und Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators. Interessanterweise hat ein Katalysator auf Eisenbasis vor einem Jahrhundert (genannt „gefördert) noch an der Spitze der Masse NH gebraucht3 Die Produktion, trotz unzähliger Bemühungen, energieeffizientere Alternativen zu finden.
Im HB -Prozess, wo NH3 wird von einem mit Katalysator gefüllten Reaktor mit begrenztem Volumen erzeugt, dem NH3 Die Produktivität im Reaktor hängt vom NH ab3 Produktionsrate, nicht pro Katalysatorgewicht, sondern pro Katalysatorvolumen. Während Ersteres wie letzteres auf einen Blick aussieht, sind diese beiden völlig anders. Kein Katalysator konnte jemals befördert in NH übertreffen3 Produktionsrate/Katalysatorvolumen über die gesamten Temperatur- und Druckbereiche. Aus diesem Grund haben sich die meisten akademischen Forscher entschieden, die Tatsache zu ignorieren, und haben den NH verglichen3 Produktionsraten/Katalysatorgewicht von „neuen Katalysatoren“ in akademischen Zeitschriften; Dieser Wettbewerb würde nicht zu einer signifikanten Verbesserung des HB -Prozesses führen.
Vor diesem Hintergrund hat ein Forschungsteam des Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japan, einen mutigen Schritt nach vorne mit einem innovativen Ansatz für das Design von Katalysatoren gemacht. Wie in ihrem neuesten Papier berichtet, das in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Fortgeschrittene Wissenschaft Am 23. Januar 2025 nahmen Professor Michikazu Hara und Kollegen die Designprinzipien etablierter Katalysatoren auf Eisenbasis und verwandelten sie im Wesentlichen in ein innovatives Werkzeug, wodurch bemerkenswerte Ergebnisse erzielt wurden.
Stützte Metallkatalysatoren, die für NH verwendet werden3 Die Produktion besteht typischerweise aus Übergangsmetallpartikeln, die auf einem Stützmaterial mit einer großen spezifischen Oberfläche und geringen Dichte abgelagert sind, was die aktive Oberfläche idealerweise erhöht und NH verbessert3 Produktionsrate/Katalysatorgewicht. Dieses Design führt jedoch zu einem kleinen NH3 Produktionsrate/Katalysatorvolumen aufgrund der geringen Dichte.
Um dieses Problem anzugehen, entwarf und testete das Forschungsteam von Science Tokyo Metallkatalysatoren mit einer umgekehrten Struktur. Mit anderen Worten, die vorgeschlagenen Katalysatoren bestanden aus großen Eisenpartikeln, die mit einem geeigneten „Promotor“ beladen waren. „Im inversen Katalysatorkonstruktion können sich hochaktive Stellen aus der Mitte eines abgelagerten Promotors konzentrisch auf der Metalloberfläche ausbreiten“3 Produktionsrate pro Katalysatorvolumen – Bis jetzt.
Nach dem Experimentieren mit verschiedenen Zusammensetzungen entschied sich das Forschungsteam für einen Katalysator, der aus Aluminiumhydrid (ALH) und Kalium auf relativ größeren Eisenpartikeln (ALH-K geladen wurde+/Fe). Die katalytische Leistung dieses neuen Materials war in unterschiedlicher Weise hervorragend. Der NH3 Produktionsrate/Volumen des erreichten Katalysators ca.. Dreimal das für geförderte Fe. Darüber hinaus könnte der vorgeschlagene Katalysator auch NH produzieren3 unter 200 ° C, bei denen befördert Fe nicht für NH arbeiten kann3 Die Produktion, wie Hara hervorhebt, „zeigte der neue Katalysator nicht nur eine viel höhere katalytische Leistung als gefördert, die von einem bisher entwickelten Katalysator noch nie übertroffen wurde, sondern auch NH synthetisiert wurde3 Auch bei 50 ° C. Unnötig zu erwähnen, dass der Katalysator stabil ist. Wir haben bestätigt, dass der Katalysator NH produziert3 Ohne einen Rückgang der Aktivität über 2.000 Stunden. „
Durch mechanistische Studien untersuchten die Forscher den Grund für die verbesserte Leistung des ALH-K+/Fe Katalysator. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die inverse Struktur die Elektronenspende an der Oberfläche der Eisenpartikel begünstigt und gleichzeitig die Anzahl der aktiven Stellen pro Flächeneinheit erhöht. Dies führt zu einer effizienteren Spaltung von N2Welches ist der preislimitierende Schritt.
Insgesamt unterstreichen die Ergebnisse dieser Studie das Potenzial von Katalysatoren auf Eisenbasis mit einer umgekehrten Struktur für NH3 Produktion. In Anbetracht der Tatsache, dass solche Katalysatoren leicht aus erdverwundenden Materialien hergestellt werden können, könnten sie zu effizienteren Industrie-NH beitragen3 Produktion. Dies würde uns wiederum in unserer Mission helfen, den Klimawandel zu stoppen.
