Để giảm yêu cầu năng lượng của quy trình Haber-Bosch, quy trình chuyển đổi nitơ và hydro thành amoniac, các nhà nghiên cứu từ Tokyo Tech đã phát triển chất xúc tác nitrua kim loại chứa kim loại hoạt tính (Ni) trên chất hỗ trợ lantan nitrua ổn định khi có độ ẩm.
Vì chất xúc tác không chứa rutheni nên nó là một lựa chọn rẻ tiền để giảm lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất amoniac.
>> Tham khảo: Trí tuệ nhân tạo giúp tăng tốc nghiên cứu vật liệu.
Quy trình Haber-Bosch, thường được sử dụng để tổng hợp amoniac (NH3) – nền tảng cho phân bón nitơ tổng hợp – bằng cách kết hợp hydro (H2) và nitơ (N2) qua các chất xúc tác ở áp suất và nhiệt độ cao, là một trong những quy trình khoa học quan trọng nhất. những khám phá đã giúp cải thiện năng suất cây trồng và tăng sản lượng lương thực trên toàn cầu.
Tuy nhiên, quá trình này đòi hỏi đầu vào năng lượng nhiên liệu hóa thạch cao do yêu cầu về nhiệt độ và áp suất cao. Hydro sử dụng cho quá trình này được sản xuất từ khí tự nhiên (chủ yếu là khí metan).
Quá trình sản xuất hydro này tiêu tốn năng lượng và đi kèm với lượng khí thải carbon dioxide khổng lồ. Để khắc phục những vấn đề này, nhiều chất xúc tác khác nhau đã được phát triển để cho phép phản ứng diễn ra trong điều kiện nhẹ hơn bằng cách sử dụng hydro được tạo ra từ quá trình điện phân nước thông qua năng lượng tái tạo.
>> Tham khảo: Có từ tính hay không có từ tính? Ảnh hưởng của chất nền đến tương tác điện tử.
Trong số đó có các chất xúc tác dựa trên nitrua có chứa các hạt nano kim loại hoạt động như niken và coban (Ni, Co) được nạp trên các chất hỗ trợ lanthanum nitride (LaN). Trong các chất xúc tác này, cả chất mang và kim loại hoạt động đều tham gia vào quá trình tạo ra NH3.
Kim loại hoạt động phân tách H2 trong khi chất hỗ trợ LaN chứa các chỗ trống nitơ và các nguyên tử nitơ trong cấu trúc tinh thể của nó hấp thụ và kích hoạt nitơ (N2). Mặc dù các chất xúc tác này không đắt (vì chúng tránh sử dụng rutheni, vốn rất tốn kém), nhưng hiệu suất xúc tác của chúng bị suy giảm khi có độ ẩm, với sự hỗ trợ của LaN biến đổi thành lantan hydroxit (La(OH)3).
Giờ đây, trong một nghiên cứu mới được công bố trên Angewandte Chemie, các nhà nghiên cứu từ Trung Quốc và Nhật Bản do Giáo sư Hideo Hosono từ Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech), Nhật Bản, đứng đầu, đã phát triển một chất xúc tác ổn định về mặt hóa học, ổn định khi có độ ẩm.
>> Tham khảo: Khoảng cách trái đất-mặt trời làm thay đổi đáng kể các mùa ở xích đạo Thái Bình Dương trong chu kỳ 22.000 năm.
Lấy cảm hứng từ các hợp chất đất hiếm ổn định có chứa liên kết hóa học giữa kim loại đất hiếm (trong trường hợp này là La) và kim loại, họ đã kết hợp các nguyên tử nhôm vào cấu trúc LaN và tổng hợp chất hỗ trợ La3AlN ổn định về mặt hóa học có chứa liên kết La-Al ngăn chặn các nguyên tử lantan khỏi phản ứng với độ ẩm.
Chất hỗ trợ La-Al-N cùng với các kim loại hoạt động, chẳng hạn như niken và coban (Ni, Co), có thể tạo ra NH3 với tốc độ tương tự như với các chất xúc tác nitrua kim loại thông thường và có thể duy trì sản xuất ổn định khi được cung cấp khí nitơ -chứa độ ẩm.
Giáo sư Hosono cho biết: “Các chất xúc tác La-Al-N được nạp Ni-hoặc Co-load không cho thấy sự suy giảm rõ rệt sau khi tiếp xúc với độ ẩm 3,5%.
Trong khi các nguyên tử Al làm ổn định chất hỗ trợ, thì các khuyết tật nitơ và nitơ mạng tinh thể có trong chất hỗ trợ pha tạp cho phép quá trình tổng hợp amoniac theo cách tương tự như các chất xúc tác nitrua kim loại đất hiếm/kim loại hoạt tính thông thường.
>> Tham khảo: Các cơ chế biểu sinh để kích hoạt gen đặc hiệu của cha mẹ được giải mã.
Giáo sư giải thích: “Nitơ mạng tinh thể cũng như chỗ trống nitơ trong La-Al-N đóng vai trò chính trong quá trình hấp phụ N2, với sự hỗ trợ của La-Al-N và kim loại hoạt tính Ni chịu trách nhiệm hấp thụ và kích hoạt N2 và H2”. .Hosono.
Quy trình Haber-Bosch là một phản ứng hóa học sử dụng nhiều năng lượng, chiếm khoảng 1% lượng khí thải carbon dioxide hàng năm trên toàn cầu.
Trong khi các phương pháp thay thế thân thiện với môi trường để sản xuất NH3 đang được nghiên cứu, việc giới thiệu các chất xúc tác rẻ tiền có thể mang lại lợi ích ngay lập tức bằng cách cho phép quy trình hoạt động trong điều kiện nhẹ hơn.
