Yüzen elektron katalizörü, daha ılıman koşullar altında amonyak üretirken havada haftalarca dayanır

Bir yüzey elektriği, BaSiN₂Science Tokyo’daki araştırmacılar tarafından geliştirilen :O, elektren malzemelerin uzun süredir devam eden hava kararsızlığının üstesinden gelirken, ılıman koşullar altında verimli amonyak sentezini mümkün kılıyor. Baryum silikon nitrürün oksijenle katkılanmasıyla sentezlenen malzeme, yüzeyinde serbestçe yüzen elektronlardan oluşan stabil bir katman oluşturur.

Rutenyum ile birleştirildiğinde olağanüstü derecede yüksek amonyak sentezi aktivitesi sağlayarak sürdürülebilir amonyak üretiminin ve elektren malzemelerin pratik uygulamalarının önünü açar.

Elektronlar, yüzeylerinde serbestçe yüzen bir elektron katmanına sahip olan benzersiz iki boyutlu malzeme sınıfıdır. Bu özellik onlara son derece düşük bir çalışma fonksiyonu verir; bu da onların kolayca elektron bağışlayabilecekleri anlamına gelir ve bu da onları kimyasal reaksiyonlar için son derece umut verici katalizörler haline getirir.

Umut verici bir uygulama, dinitrojenin (N) güçlü bağını kırmak için şu anda özellikle yüksek sıcaklıklar ve yüksek basınçlar gibi aşırı koşullar gerektiren amonyak sentezidir.₂). Bununla birlikte, geleneksel elektrenler havaya ve neme karşı son derece hassastır ve bu da katalitik performanslarını hızla düşürür.

Havaya dayanıklı bir elektren ortaya çıkıyor

Bu sınırlamayı gidermek için, Tokyo Bilim Enstitüsü (Bilim Tokyo), Japonya MDX Element Stratejisi Araştırma Merkezi’nden Profesör Hideo Hosono liderliğindeki bir araştırma ekibi, ilk havaya dayanıklı yüzey elektrinini geliştirdi. Ekipte ayrıca Yardımcı Doçent Zhujun Zhang (şu anda Çin’deki Nanjing Tech Üniversitesi’nde) ve Science Tokyo’dan Profesör Masaki Kitano da vardı.

Çalışma dergide çevrimiçi olarak yayınlandı Doğa İletişimi.

Ekip, baryum silikon nitrüre (BaSiN) az miktarda oksijen kattı.₂), BaSiN üretimiyle sonuçlanır₂:O. Bu elektren, nispeten ılımlı reaksiyon koşulları altında amonyak sentezini stabil bir şekilde katalize edebilir.

“Bildiğimiz kadarıyla, BaSiN₂:O, havada stabil bir yüzey elektrininin ilk örneğini temsil eder. Sürdürülebilir amonyak üretimi için yüksek verimli ve sağlam katalizörlerin yanı sıra kimya, enerji ve elektronikte elektiren bazlı malzemelerin daha geniş uygulamalarına doğru yeni bir yol açıyor” diyor Hosono.

Kendini koruyan bir elektron yüzeyi

Az sayıda yüzey nitrojen atomunun oksijenle değiştirilmesi, malzemeye sezyumunkinden daha düşük, yaklaşık 1,5 eV’lik ultra düşük bir iş fonksiyonu ve yaklaşık 2 angstrom (2 x 106) uzanan bir elektron katmanı sağlayan, sabit bir yüzen elektron katmanı oluşturur.^-10 m) yüzeyin ötesinde. Malzemenin kendini koruma mekanizması bulunmaktadır.

Azot gazına maruz kaldığında yüzey elektronları kendiliğinden N’ye aktarılır.₂ Yüzeyi kaplayan ve koruyan, kimyasal olarak adsorbe edilmiş bir nitrojen tabakası oluşturan moleküller. Bu pasivasyon katmanı, malzemeye havaya karşı olağanüstü direncini kazandırır. Bu koruyucu tabaka, malzemenin aktifleştirilmiş nitrojeni amonyağa dönüştüren hidrojen ile işlenmesiyle ortadan kaldırılır. Bu, yüzeydeki yüzen elektronları eski haline getirerek döngünün katalizöre zarar vermeden tekrarlanmasına olanak tanır.

Rutenyum amonyak çıkışını artırıyor

BaSiN iken₂:O nitrojen moleküllerini aktive edebildi, hidrojeni aktive etmede daha az etkiliydi. Bu sınırlamayı gidermek için araştırmacılar, hidrojen aktivasyonunu geliştiren ve aktifleştirilmiş nitrojenin çok daha verimli bir şekilde amonyağa dönüştürülmesine olanak tanıyan rutenyum (Ru) nanopartiküllerini ekledi.

Ortaya çıkan Ru/BaSiN₂:O katalizörü 43 mmol g’lik bir amonyak sentez hızına ulaştı^-1 H^-1 300 °C ve 0,9 MPa’da, benzer düşük sıcaklık koşulları altında daha önce bildirilen elektrit, hidrit ve geleneksel Ru bazlı katalizörlerden daha iyi performans gösteriyor. Üstelik malzeme oldukça stabildi; bir haftalık havaya maruz kaldıktan sonra kristal yapısını korudu ve tekrarlanan hava maruz kalma döngülerinden sonra bile katalitik aktivitesini korudu.

Pratik elektriğe giden bir rota

Araştırmacılar bulgularının, yüksek katalitik aktiviteyi uzun vadeli kimyasal stabiliteyle birleştiren elektren malzemeleri tasarlamak için yeni bir strateji sağladığını söylüyor. Oksijen katkılaması ve geri dönüşümlü bir nitrojen pasifleştirme işlemi kullanarak, elektrinin pratik kullanımını sınırlayan zorluklardan birinin üstesinden geldiler ve pratik uygulamalarda kullanılmalarının önünü açtılar.

Hosono, “Çalışmamız sadece fizik ve elektronikteki çeşitli uygulamalar için önemli potansiyele sahip yeni bir tür yüzey elektrinini keşfetmekle kalmıyor, aynı zamanda düşük sıcaklık ve basınçlarda yeşil amonyağın verimli sentezi için yüksek aktiviteyi hava stabilitesi ile birleştiren yeni bir katalizörü de ortaya koyuyor” diyor.