Yeni katalizör tasarımı, amonyak sentezinde rakip hidrojen reaksiyonunu seçici olarak bastırır

Seul Ulusal Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Bölümü’nden profesör Yousung Jung liderliğindeki bir araştırma ekibi, amonyak üreten nitrojen indirgeme reaksiyonunu korurken, amonyak üretimine müdahale eden hidrojen evrimi reaksiyonunu baskılayan yeni bir katalizör tasarım ilkesi geliştirdi.

Amonyak büyük miktarda hidrojen depolayabiliyor ve oda sıcaklığında sıvı halde kalabiliyor, bu da taşınmasını kolaylaştırıyor. Bu nedenle rüzgar ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir kaynaklardan üretilen enerjiyi ulaştırabilen yeni nesil çevre dostu bir enerji taşıyıcısı olarak dikkat çekiyor. Ancak geleneksel amonyak sentezi yöntemi (Haber-Bosch süreci), yüksek sıcaklık ve basıncın yanı sıra yüksek enerji tüketimi ve karbon emisyonu gerektirir.

Alternatif olarak, yalnızca su, nitrojen ve elektrik kullanarak amonyak üreten elektrokimyasal nitrojen indirgeme reaksiyonu (NRR) dikkat çekti. Bununla birlikte, önemli bir sınırlama, hidrojenin amonyak yerine tercihli olarak üretilmesi ve üretim verimliliğinin önemli ölçüde azalması olmuştur.

Araştırma ekibi, reaksiyona katılan moleküllerin yapısını kontrol ederek hidrojen oluşumunu seçici olarak baskılayan yeni bir katalizör tasarım ilkesi önerdi. Bu çalışmanın, çevre dostu amonyak üretimindeki verimlilik sınırlamalarının üstesinden gelmesi ve evlere ve endüstriyel tesislere karbon içermeyen amonyak bazlı hidrojen enerjisinin istikrarlı bir şekilde tedarik edilmesi için bir temel sağlaması bekleniyor.

Odağı reaksiyon ortamına kaydırmak

Çalışma şu dergide yayınlandı: Amerikan Kimya Derneği Dergisi. Geleneksel yaklaşımlardan farklı olarak araştırma ekibi, reaksiyon ortamının kendisini tasarlamaya yönelik yeni bir stratejiye odaklandı.

Önceki çalışmalar öncelikle elektrolitin asitliğini ayarlamak gibi protonları kontrol ederek hidrojen oluşumunu bastırmaya çalışıyordu. Bununla birlikte, amonyak sentezi için protonlar da gerekli olduğundan, bunların kullanılabilirliğinin azaltılması, hem hidrojen oluşumunu hem de nitrojen indirgenmesini aynı anda bastırır.

Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için ekip, nitrojen indirgeme aktivitesini korurken yalnızca hidrojen evrimi reaksiyonunu seçici olarak bloke eden yeni bir yaklaşım önerdi. Fikir doğadan ilham aldı: Proteinler genellikle katalizör görevi görüyor ve yalnızca şekillerine uyan substratlarla seçici olarak reaksiyona giriyor. Araştırmacılar bu prensibi elektrokimyasal reaksiyonlara uyguladılar.

Ekip, proton donörlerinin sterik yapısını kontrol ederek, hidrojen evriminin ilk adımı olan Volmer reaksiyonunun enerji bariyerini başarıyla artırdı.

Sterik engel hidrojen oluşumunu yavaşlatır

Anahtar, reaktanların geometrik konumlandırılmasında yatmaktadır. Tetris oyununda yanlış yerleştirilen blokların ilerlemeyi engellemesine benzer şekilde, artan sterik engel, protonların elektrot yüzeyine yaklaşmasını zorlaştırarak hidrojen oluşum reaksiyonunu önemli ölçüde yavaşlatır.

Buna karşılık nitrojen indirgeme reaksiyonu minimum düzeyde etkilenir çünkü protonlar, elektrot yüzeyinden ziyade katalizör yüzeyinden dışarı doğru çıkıntı yapan nitrojen molekülleriyle etkileşime girer. Başka bir deyişle, araştırmacılar, elektrot yüzeyine erişimi sterik engelleme yoluyla seçici olarak engelleyerek, nitrojen azaltımını korurken hidrojen oluşumunu bastırmayı başardılar.

Ek olarak, mikrokinetik modelleme, daha büyük sterik engelin, geniş bir voltaj aralığında yüksek Faradaik verimliliğin korunmasına izin verdiğini doğruladı.

Laboratuvar verimliliğinden daha geniş kullanıma

Bu çalışma önemlidir çünkü elektrokimyasal nitrojen azaltımının Faradaik verimliliğini yaklaşık %70’ten yaklaşık %100’e çıkarabilecek bir tasarım ilkesi önermektedir. Bulguların, yenilenebilir enerji kaynaklarının yakınında çevre dostu amonyak üretiminin yerelleştirilmesine olanak sağlaması, büyük ölçekli kimyasal tesislere olan ihtiyacı ortadan kaldırması ve temiz bir hidrojen ekonomisinin gerçekleştirilmesine katkıda bulunması bekleniyor.

Yaklaşımın ayrıca, rakip reaksiyonların kontrol edilmesinin kritik olduğu karbondioksit azaltımı gibi diğer elektrokimyasal katalitik sistemlere de geniş ölçüde uygulanabilmesi bekleniyor.

Jung’un ekibi bu konsepti diğer elektrokimyasal reaksiyonlara genişletmeyi ve bu tasarım ilkesini içerebilecek yüksek derecede aktif katalizör malzemeleri belirleyerek ticarileştirmeyi hızlandırmayı ve sonuçta hem yüksek seçiciliğe hem de yüksek aktiviteye sahip katalitik sistemler geliştirmeyi planlıyor.

Jung şunları söyledi: “Bu çalışma, teknik sınırlamaların uzun süredir açıkça görüldüğü elektrokimyasal nitrojen indirgeme işleminde yalnızca rakip reaksiyonları seçici olarak bastırabilen hassas bir arayüzey tasarım stratejisi önermesi açısından önemlidir. Bu, yalnızca çevre dostu amonyak üretimi için değil, aynı zamanda geniş bir yelpazedeki arayüzey elektrokimyasal reaksiyonların verimliliğini artırmak için de temel bir teknoloji olarak hizmet edecektir.”