Новый катализатор превращает загрязнитель в аммиак при комнатной температуре

Аммиак является ключевым компонентом для сельского хозяйства и промышленности, а также рассматривается как перспективный носитель чистой энергии. Однако его традиционное производство требует высоких температур и давления. Исследовательская группа разработала электрокатализатор, который позволяет преобразовывать нитраты — распространенный загрязнитель грунтовых вод и сельскохозяйственных стоков — в аммиак в гораздо более мягких условиях.

Подробности их исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

«Наш новый катализатор имеет два основных преимущества: во-первых, он снижает выбросы, связанные с производством удобрений и химикатов, а во-вторых, позволяет фактически перерабатывать нитраты, которые в противном случае загрязняли бы нашу воду», — отмечает Хао Ли, профессор Передового института исследований материалов Университета Тохоку.

Как работает новый катализатор

Катализатор создан из атомно-упорядоченного сплава рутения (Ru) и галлия (Ga), образующего интерметаллическое соединение рутений-галлий на углеродной подложке (RuGa IMC/C). Его структура размещает отдельные атомы рутения в точных позициях, окруженных галлием, который не реагирует напрямую, но формирует среду, в которой работает каждый участок рутения.

Эта тонко настроенная конфигурация помогает направлять нитрат (NO₃⁻) по пути реакций, производящих аммиак (NH₃).

Даже при низких концентрациях нитратов катализатор эффективно преобразует их при очень низком напряжении. Он сохраняет высокую селективность в широком диапазоне концентраций и демонстрирует стабильную работу, что подтверждает возможность применения такой атомарной конструкции в реальных условиях.

Результаты моделирования и перспективы

Компьютерное моделирование, проведенное исследователями, показало, почему данная структура работает так эффективно. Введение галлия изменяет электронные характеристики рутения, влияя на то, как азотсодержащие молекулы присоединяются и преобразуются на поверхности. Это также замедляет образование водорода — конкурирующей реакции, которая часто ограничивает выход аммиака.

Катализатор также протестировали в цинк-нитратной батарее. Система генерировала стабильную мощность и работала в течение сотен часов, демонстрируя потенциал материала как для химического производства, так и для энергетических применений.

«Мы надеемся преобразовать распространенный загрязнитель в ценный продукт и предложить руководство для разработки будущих катализаторов, использующих преимущества контролируемого атомного упорядочения», — добавляет Ли.

В перспективе исследователи планируют расширить теоретическое моделирование, интегрировав инструменты машинного обучения для более эффективного картирования путей реакций. Эта работа направлена на ускорение разработки электрокатализаторов следующего поколения для устойчивого химического производства.

ИИ: Это исследование демонстрирует важный шаг в развитии «зеленой» химии — возможность производить аммиак при комнатной температуре из загрязнителя. Технология может найти применение не только в сельском хозяйстве, но и в энергетике, где аммиак рассматривается как перспективный носитель водорода.