Amonijak igra ključnu ulogu u proizvodnji hrane i industrijskom razvoju, sa veličinom globalnog tržišta od približno 175 miliona metričkih tona i tržišnom vrednošću od 67 milijardi dolara. Isto tako, to je nosilac visoke gustine energije, što ga čini ključnim igračem u ekonomiji vodonika u nastajanju.
Nedostatak trenutne proizvodnje amonijaka je, međutim, to što se sinteza u velikoj meri oslanja na Harber-Bosch proces, koji je energetski intenzivan i rezultira visokim emisijama CO 2.
Ipak, istraživačka grupa koju predvodi Hao Li sa Naprednog instituta za istraživanje materijala Univerziteta Tohoku (VPI-AIMR) fokusirala se na elektrohemijsku konverziju nitrata (NO 3 – ) u amonijak (NH 3 ), otkrivajući proces koji bi potencijalno mogao da revolucioniše industriju prakse, dok nudi nove uvide u razvoj efikasnih i održivih katalitičkih procesa.
Detalji nalaza objavljeni su u časopisu Napredna nauka 9. avgusta 2024.
Za razliku od reakcije redukcije azota (NRR), koja zahteva prekid jake N=N trostruke veze u azotu (N 2 ), redukcija nitrata (NO 3 RR) nudi efikasniji put“, ističe Li.
„Nitrat ima mnogo nižu energiju disocijacije i veću rastvorljivost u vodi, što ga čini lakšim za upotrebu kao izvor azota za proizvodnju amonijaka. Ovo ne samo da poboljšava efikasnost procesa, već se bavi i ekološkim izazovom akumulacije nitrata u sistemima za vodu.“
Li i njegov tim sintetizovali su sferni katalizator bakar (II) oksida (CuO), koji karakteriše slaganje malih čestica sa slobodnim mestima bogatim kiseonikom. Ovaj katalizator je pokazao značajno povećanje prinosa amonijaka, postigavši 15,53 mg h -1 mgcat -1, sa Faradaevom efikasnošću od 90,69% u neutralnom elektrolitu na naponu od -0,80 V (u odnosu na reverzibilnu vodoničnu elektrodu).
Tim je takođe otkrio da visoka katalitička aktivnost CuO elektroda potiče od strukturnih i faznih promena koje se javljaju tokom procesa elektrohemijske redukcije.
„Naše istraživanje pokazuje da je transformacija CuO u Cu/Cu(OH) 2 strukturu tokom procesa reakcije ključna za performanse katalizatora“, rekao je Ćiuling Đijang, zajednički dr. student VPI-AIMR i koautor rada.
„Ova promena faze ne samo da povećava broj aktivnih mesta, već i poboljšava prenos elektrona na površini elektrode, povećavajući efikasnost reakcije redukcije nitrata.“
Štaviše, studija je koristila proračune teorije funkcionalne gustine (DFT) za dalje razumevanje katalitičkog mehanizma. Ovi proračuni su pokazali da formiranje Cu(OH) 2 smanjuje energetsku barijeru za adsorpciju nitrata, čineći proces energetski povoljnim.
Pored toga, utvrđeno je da faza Cu(OH) 2 inhibira konkurentnu reakciju evolucije vodonika, dok je prisustvo kristalnih površina Cu (111) olakšalo proces hidrogenacije.
„Ovo istraživanje nudi novu perspektivu dizajna katalizatora na bazi bakra za proizvodnju elektrokatalitičkog amonijaka“, dodaje Li. „Kontrolom reakcionih uslova i razumevanjem faznih prelaza, možemo optimizovati performanse katalizatora, što potencijalno dovodi do efikasnijih i skalabilnijih procesa sinteze amonijaka.“
Gledajući unapred, tim planira da istraži faktore koji utiču na fazne prelaze katalizatora tokom procesa redukcije. Daljnjim usavršavanjem dizajna ovih katalizatora, oni imaju za cilj da poboljšaju njihovu stabilnost, aktivnost i selektivnost, približavajući cilj održive proizvodnje amonijaka stvarnosti.
