Скрытый медный переключатель ускоряет производство экологически чистого аммиака

Неожиданное появление металлической меди в ходе реакции может стать ключом к созданию действительно экологичного производства аммиака. Фото: Shutterstock

Исследователи из Столичного университета Токио раскрыли механизм работы катализатора в перспективной промышленной реакции по производству аммиака — ключевого компонента удобрений. В этом процессе оксид меди выступает важным катализатором в реакции электрохимического восстановления нитратов — более экологичном подходе по сравнению с традиционным методом Габера-Боша. Команда обнаружила, что в ходе самой реакции формируются крошечные частицы меди, которые помогают преобразовывать нитрит-ионы в аммиак. Понимание этого скрытого этапа открывает новые возможности для развития более чистой промышленной химии.

Аммиак играет центральную роль в производстве удобрений и жизненно важен для современного сельского хозяйства. Сегодня большая часть аммиака производится по процессу Габера-Боша, который объединяет азот и водород при чрезвычайно высоких температурах и давлениях. Этот подход требует огромныхamount энергии и, по оценкам, обеспечивает примерно 1,4% глобальных выбросов углекислого газа. Поскольку аммиак тесно связан с глобальным продовольственным снабжением, существует сильная мотивация для разработки более чистых альтернатив.

Исследование низкотемпературного пути к аммиаку

Исследовательская группа под руководством профессора Фумиаки Амано из Столичного университета Токио сосредоточилась на реакции электрохимического восстановления нитратов — новом методе, который создает аммиак из нитратов при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении. Электрохимические методы используют электроды, помещенные в химический раствор, при этом для запуска конкретных реакций прикладывается напряжение. Хотя более ранние исследования выявили отдельные этапы, происходящие на электродах во время образования аммиака, полная последовательность событий оставалась трудной для точного определения.

Отслеживание изменений катализатора с помощью современных инструментов

Благодаря использованию передовых методов измерения команда получила гораздо более четкое представление о том, как образуется аммиак в присутствии катализатора из оксида меди, который считается одним из самых сильных электрокатализаторов для этой реакции. Они использовали операндную рентгеновскую абсорбционную спектроскопию — метод, который исследует как электронное поведение, так и локальные структурные изменения. Прикрепив небольшие частицы оксида меди к углеродным волокнам, они смогли наблюдать, как материал реагирует, когда приложенное напряжение становится все более отрицательным.

При положительном напряжении они обнаружили, что нитрат-ионы «пассивируют» катализатор, прикрепляясь к его поверхности, что предотвращает превращение оксида меди в металлическую медь и вместо этого приводит к образованию нитрит-ионов. Как только напряжение становится более отрицательным, производство аммиака резко возрастает. Это увеличение происходит одновременно с появлением частиц металлической меди, что подтверждается значительным скачком в количестве связей медь-медь. Исследователи установили, что эта металлическая медь помогает добавлять водород к нитрит-ионам, что приводит к образованию аммиака.

Пути к более эффективному зеленому аммиаку

Результаты показывают, как поверхностная пассивация влияет на производительность оксида меди, и демонстрируют, что создание металлической меди в ходе реакции необходимо для эффективного производства аммиака. Эти результаты указывают на более широкий набор стратегий для улучшения методов получения зеленого аммиака и для проектирования следующих поколений электрохимических катализаторов.

Это исследование было поддержано Столичным университетом Токио и программой стипендий Tokyo Global Partner Scholarship и основано на результатах проекта JPNP14004, заказанного Организацией по развитию новых энергетических и промышленных технологий (NEDO).