Sciencemag.cz
Doporučujeme
V současné době se drtivá většina čpavku vyrábí tradičním Haber-Boschovým procesem, který vyžaduje pro reakci dusíku a vodíku vysoké teploty (400-450 °C) a tlaky (200 atmosfér). Snížit energetickou náročnost této syntézy se chemici snaží už po desetiletí. Znamená to především hledání nových katalyzátorů.
Ušlechtilý kov ruthenium byl v tomto ohledu hlavním kandidátem díky své výjimečné schopnosti absorbovat dusík už při nižších teplotách (tj. zajistit, aby se molekula dusíku zapojila do reakce). Vysoká cena ruthenia však brání jeho využití při syntéze amoniaku ve velkém měřítku. Kobalt by byl cenově výhodnější alternativu, ale dosažení stejné katalytické aktivity jako Ru při srovnatelných teplotách bylo dosud obtížné.
Vědci v rámci nového výzkumu zkusili zvýšit katalytickou aktivitu Co tím, že kobaltové nanočástice zkombinovali s dalším materiálem s uváděným chemických vzorcem BaAl2O4-xHy. Tento tzv. oxyhydridový elektrid (elektridy – obdoba iontových sloučenin, mají v mřížce namísto aniontů elektrony) zvyšuje při nízkých teplotách katalytickou aktivitu Co na úroveň srovnatelnou s katalyzátory na bázi ruthenia. Hydridové anionty a elektrony chrání katalyzátor před účinky vzduchu a vlhkosti (poznámka PH: v této souvislosti viz studená fixace dusíku pomocí enzymů nitrogenáz; tyto enzymy také vyžadují prostředí bez kyslíku).
Údajně průlomový objev byl publikován v Journal of the American Chemical Society. BaAl2O4-xHy má mít speciální 3D struktury, kde čtyřstěny AlO4 vytvářejí prázdné prostory, „klece“, mezi ionty barya. Tyto klece pak mohou fungovat jako kapsy udržující záporný náboj, tyto elektrony pak využívá kobalt pro rozklad molekul dusíku nad sebou (tak to vysvětluje průvodní tisková zpráva). Když se pak v mřížce kyslíkový aniont nahrazuje hydridovým, má to schopnost přenášet elektron na kobalt ještě zvýšit a redukce dusíku na amoniak probíhá s vyšší účinností.
Katalyzátor dokázal produkovat více než 500 mmol amoniaku na gram kobaltu za hodinu, což je rekordní hodnota pro katalyzátory na bázi Co. Navíc ve srovnání s běžnými katalyzátory na bázi Co, jejichž aktivační energie pro syntézu amoniaku obvykle přesahují 100 kJ/mol, vykazoval navržený katalyzátor aktivační energii pouze 48,9 kJ/mol.
Katalyzátor má být trvanlivý a opakovaně použitelný. I po (nežádoucím) vystavení Co/BaAl2O4-xHy působení vzduchu mohli vědci obnovit až 95 % jeho původní aktivity pouhým zahřátím ve vodíku.
Spoluautor studie Masaaki Kitano z Tokijského technického ústavu každopádně uvádí, že elektridy by mohly najít využití i v řadě dalších oblastí, jde o celkem nový typ sloučenin.
Yihao Jiang et al, Boosted Activity of Cobalt Catalysts for Ammonia Synthesis with BaAl2O4–xHy Electrides, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c01074
Zdroj: Tokyo Institute of Technology / Phys.org a další
Poznámka PH: Zní to hezky, jenže kolikrát už člověk v souvislosti s výrobou amoniaku četl o takovém průlomovém objevu a dál se nestalo nic. Navíc podle původního článku reakce stále vyžaduje 340 °C, což je sice méně než při klasické syntéze, ale rozhodně to není pokojová teplota, při které vše zvládají enzymy. Potřebný tlak je ovšem podstatně nižší než při Haber-Boschově reakci, asi 10 atmosfér. Katalýza rutheniem vyžaduje pro srovnatelný výkon cca 300 °C.
