Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vylepšit energeticky náročnou syntézu amoniaku se chemici snaží od objevu Haber-Boschova procesu před více než 100 lety. Nejúčinnějším anorganickým katalyzátorem pro slučování vodíku s dusíkem stále zůstává železo („promoted-FE“, kdy další příměsí bývají oxidu kovů nebo SiO2). Příměsi železný katalyzátor mj. zpevňují a pomáhají mu udržet povrch tak, aby mohl podporovat reakci.
Žádný katalyzátor dosud nedokázal překonat železo v poměru produkce NH3/objem katalyzátoru v celém rozsahu teplot a tlaků.
Zajímavé je, že v reaktoru rychlost produkce čpavku nezávisí na hmotnosti katalyzátoru, ale na jeho objemu (aktivním). Podporované kovové katalyzátory používané pro výrobu NH3 se obvykle skládají z částic přechodných kovů nanesených na nosném materiálu s velkým specifickým povrchem a nízkou hustotou, což v ideálním případě zvyšuje aktivní povrch a s tím i rychlost výroby NH3 přepočtenou na hmotnost katalyzátoru. Tato konstrukce však vede k malé rychlosti produkce NH3/objem katalyzátoru kvůli nízké hustotě.
Vědci z Institute of Science Tokyo (hlavní autor Michikazu Hara) nyní přístup k problému obrátili: navrhli a otestovali kovové katalyzátory s inverzní strukturou. To znamená, že nově navržené katalyzátory se skládaly z velkých železných částic naplněných vhodným promotorem. Po experimentech s různými složeními se výzkumný tým rozhodl pro katalyzátor sestávající z hydridu hliníku a draslíku naneseného na relativně větší částice železa. Katalytický výkon tohoto nového materiálu byl v některých ohledech vynikající. Rychlost produkce NH3/objem katalyzátoru dosáhla přibližně trojnásobku rychlosti produkce stávajícím způsobem. Kromě toho by navrhovaný katalyzátor mohl produkovat NH3 i při teplotách nižších než 200 °C, při kterých stávající katalyzátor nefunguje. Teplota reakce by dokonce snad mohla být i pouhých 50 °C. Nový katalyzátor je stabilní, produkoval NH3 bez jakéhokoli poklesu aktivity po dobu 2 000 hodin.
Prostřednictvím mechanistických studií vědci zkoumali příčinu zvýšeného výkonu katalyzátoru. Výsledky naznačily, že inverzní struktura podporuje přenos elektronů na povrchu částic železa a zároveň zvyšuje počet aktivních míst na jednotku plochy. To vede k účinnějšímu štěpení N2, které je limitujícím krokem pro rychlost reakce jako celku.
Masashi Hattori et al, Ammonia Synthesis Over an Iron Catalyst with an Inverse Structure, Advanced Science (2025). DOI: 10.1002/advs.202410313
Zdroj: Institute of Science Tokyo / Phys.org a další
