NH3 è una delle sostanze chimiche più importanti nel mondo di oggi, in quanto viene utilizzato nella produzione di fertilizzanti per aumentare i rendimenti agricoli e sostenere la popolazione globale in continua crescita. Per oltre 100 anni, NH3 La produzione ha fatto affidamento sul processo di Haber-Bosch (HB), che combina azoto (N2) e idrogeno in presenza di un catalizzatore. È interessante notare che un catalizzatore a base di ferro si è sviluppato un secolo fa (chiamato “promosso”) rimane ancora in prima linea nella massa NH3 Produzione, nonostante innumerevoli sforzi per trovare alternative più efficienti dal punto di vista energetico.
Nel processo HB, dove NH3 è prodotto da un reattore pieno di catalizzatore con un volume limitato, l’NH3 La produttività nel reattore dipende dall’NH3 Tasso di produzione, non per peso del catalizzatore ma per volume del catalizzatore. Mentre il primo sembra il secondo a colpo d’occhio, questi due sono completamente diversi. Nessun catalizzatore è mai stato in grado di superare il Fe promosso in NH3 Volume del tasso di produzione/catalizzatore su tutta la temperatura e la pressione. Per questo motivo, la maggior parte dei ricercatori accademici ha scelto di ignorare il fatto e ha confrontato l’NH3 tassi di produzione/peso del catalizzatore di “nuovi catalizzatori” nelle riviste accademiche; Questa competizione non porterebbe a un miglioramento significativo nel processo HB.
In questo contesto, un team di ricerca dell’Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), in Giappone, ha fatto un audace passo avanti con un approccio innovativo verso il design dei catalizzatori. Come riportato nel loro ultimo documento, che è stato pubblicato sulla rivista Scienza avanzata Il 23 gennaio 2025, il professor Michikazu Hara e i colleghi hanno preso i principi di progettazione di catalizzatori a base di ferro stabiliti e essenzialmente li ha trasformati in uno strumento innovativo, ottenendo risultati notevoli.
Catalizzatori metallici supportati utilizzati per NH3 La produzione in genere è costituita da particelle di metallo di transizione depositate su un materiale di supporto con una superficie specifica di grande e bassa densità, che aumenta idealmente la superficie attiva e migliora NH3 tasso di produzione/peso del catalizzatore. Tuttavia, questo design si traduce in un piccolo NH3 Volume del tasso di produzione/catalizzatore a causa della bassa densità.
Per affrontare questo problema, il team di ricerca di Science Tokyo ha progettato e testato catalizzatori di metallo con una struttura inversa. In altre parole, i catalizzatori proposti consistevano in grandi particelle di ferro cariche con un “promotore” appropriato. “Nel design del catalizzatore inverso, i siti altamente attivi possono diffondersi concentrati concentrati sulla superficie metallica dal centro di un promotore depositato”, spiega Hara “, tuttavia non era stato verificato quale struttura è più efficace nell’aumentare l’NH3 Tasso di produzione per volume del catalizzatore – fino ad ora. “
Dopo aver sperimentato varie composizioni, il team di ricerca si è stabilito su un catalizzatore costituito da idruro di alluminio (ALH) e potassio caricato su particelle di ferro relativamente più grandi (ALH-K+/Fe). La performance catalitica di questo nuovo materiale è stata eccezionale per vari aspetti. Il NH3 tasso di produzione/volume del catalizzatore raggiunto CA. 3 volte quello per promosso. Inoltre, il catalizzatore proposto potrebbe anche produrre NH3 al di sotto di 200 ° C in cui promosso non può funzionare per NH3 La produzione, come evidenzia Hara, “il nuovo catalizzatore non ha solo mostrato prestazioni catalitiche molto più elevate rispetto a Fe promosse che non è mai stata superata da nessun catalizzatore sviluppato finora ma anche NH sintetizzato3 anche a 50 ° C. Inutile dire che il catalizzatore è stabile. Abbiamo confermato che il catalizzatore produce NH3 senza alcuna riduzione dell’attività per oltre 2.000 ore “.
Attraverso studi meccanicistici, i ricercatori hanno studiato il motivo alla base delle prestazioni migliorate di ALH-K+/Catalizzatore Fe. I risultati hanno suggerito che la struttura inversa favorisce la donazione di elettroni sulla superficie delle particelle di ferro, aumentando il numero di siti attivi per unità di area. Ciò si traduce in una scissione più efficiente di n2che è la fase di limitazione della velocità.
Nel complesso, i risultati di questo studio evidenziano il potenziale dei catalizzatori a base di ferro con una struttura inversa per NH3 produzione. Considerando che tali catalizzatori possono essere fabbricati facilmente da materiali abbondanti terrestri, potrebbero contribuire a NH industriale più efficiente3 produzione. Questo, a sua volta, ci aiuterebbe nella nostra missione di fermare i cambiamenti climatici.
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