Moleküler dinitrojen anyonları düşük sıcaklıkta amonyak sentezinin yolunu açıyor

Amonyak (NH₃) en çok gübre üretimindeki rolüyle bilinmesine rağmen, karbon içermeyen bir hidrojen taşıyıcısı olarak dikkat çekiyor ve potansiyel olarak temiz yakıtın depolanması ve taşınması için pratik bir yol sunuyor. Bu söze rağmen, NH₃ sentezi hala sürdürülebilir bir şekilde ölçeklendirilmesi zor olan yüksek sıcaklık, yüksek basınçlı işlemlere bağlıdır. Bunun nedeni, nitrojen gazındaki (N₂) nitrojen atomları arasındaki, kırılması için çok fazla enerji gerektiren son derece güçlü bağdır.

Birçok bilim adamı, daha ılıman koşullar altında NH₃ sentezini mümkün kılmak için katalizörler geliştirmeye çalışıyor. Bazı yüksek performanslı katalizörler bildirilmiş olmasına rağmen, bunlar genellikle rutenyum gibi kıt soy metallere dayanır.

Baryum (Ba) bazlı malzemeler uygun maliyetli bir alternatif olabilir, ancak baryum subnitrit (Ba₂N) gibi oldukça aktif bileşikler hidrojende kararsızdır ve NH₃ sentezi sırasında bozunur. Azotu verimli bir şekilde aktive eden stabil baryum bazlı bir katalizörü nasıl tasarlayabiliriz?

Aktif nitrojen içeren stabil bir kabuk

Japonya Bilim Enstitüsü Tokyo (Bilim Tokyo), MDX Element Stratejisi Araştırma Merkezi’nden Dr. Yihao Jiang, Profesör Hideo Hosono ve Profesör Masaaki Kitano liderliğindeki bir araştırma ekibi bu soruyu yanıtlamak için yola çıktı. dergisinde yayınlanan son çalışmaları Amerikan Kimya Derneği DergisiNH₃ sentezi için hiyerarşik olarak yapılandırılmış antiperovskit destekli bir kobalt sunar.

Araştırmacılar, Ba₃AlO₄₋ₓNᵧHz formülüne sahip, anti-perovskit yapıya sahip yeni bir malzeme sentezlediler. Bu esnek kristal düzenleme, oksit, nitrür, hidrit ve moleküler dinitrojen anyonları (N₂)⁻ dahil olmak üzere çeşitli negatif yüklü tür türlerini barındırır. Bu formda nitrojen atomları oldukça aktif durumdadır ve nitrojen-nitrojen bağı zayıftır, bu da onların parçalanmasını kolaylaştırır.

Ekip, performansı artırmak için bu malzemeyi alüminyum oksit (Al₂O₃) nanoçubuklar üzerinde ultra ince bir kabuk olarak büyüttü ve katalizörün erişilebilir yüzey alanını büyük ölçüde artırdı. Ayrıca, sentez sırasında malzemenin dış kabuğunda küçük kümeler halinde kendi kendine organize olan kobalt (Co) da eklendi. Bu yapı sadece stabil olmakla kalmayıp aynı zamanda 300 °C ve 0,9 MPa’lık ılımlı koşullar altında saatte katalizörün gramı başına 15,9 mmol’lük bir NH₃ sentez hızı sergiledi.

Kitano, “Optimize edilmiş Co/Ba₃AlO₄₋ₓNᵧHz/Al₂O₃ katalizörü, referans rutenyum bazlı ve endüstriyel demir katalizörlerini aşan NH₃ sentez oranlarına ulaştı” diye vurguluyor.

Koordineli unsurlar reaksiyonu yönlendirir

Bu sonuçları daha iyi anlamak için ekip izotop etiketleme deneyleri, spektroskopi ölçümleri ve bilgisayar simülasyonları gerçekleştirdi. Co, Ba ve alüminyum arasındaki arayüz bölgelerindeki aktifleştirilmiş (N₂)⁻ iyonlarının reaksiyonun merkezinde olduğunu buldular. Basitçe söylemek gerekirse, Ba içeren alanlar nitrojen-nitrojen bağını zayıflatarak hem (N₂)⁻’nin kolay ayrışmasını hem de N₂’nin hızla yenilenmesini sağlar. Bu arada Co ve alüminyum bölgeleri, sonuçta NH₃’ya yol açan sonraki reaksiyon adımlarına yardımcı olur.

Genel olarak bu çalışma, aktif nitrojeni içeren ve katalitik performansı artırmak için farklı elementlerin rollerini koordine eden stabil malzemelerin tasarlanması için yeni bir strateji ortaya koymaktadır. Çalışma aynı zamanda (N₂)⁻ iyonlarının aracılık ettiği, daha önce bilinmeyen bir NH₃ sentez yöntemini de ortaya çıkarıyor.

Kitano’nun şu sonuca vardığı gibi, NH₃ üretim teknolojilerinin geliştirilmesine rehberlik edebilir ve ortaya çıkan hidrojen ekonomisinde gelecekteki düşük karbonlu enerji sistemlerini destekleyebilir: “Çalışmamızın bulguları, değerli metaller kullanılmadan ılıman koşullar altında verimli bir şekilde çalışabilen yüksek derecede aktif NH₃ sentez katalizörlerinin geliştirilmesi için yeni fırsatlar açıyor.”