Chất xúc tác bền, rẻ tiền làm giảm lượng khí thải carbon của quá trình sản xuất amoniac
bởi Học viện Công nghệ Tokyo
Tín dụng: Tokyo Tech
Quy trình Haber-Bosch, thường được sử dụng để tổng hợp amoniac (NH3) - nền tảng cho phân bón nitơ tổng hợp - bằng cách kết hợp hydro (H2) và nitơ (N2) qua chất xúc tác ở áp suất và nhiệt độ cao, là một trong những quy trình khoa học quan trọng nhất. những khám phá đã giúp cải thiện năng suất cây trồng và tăng sản lượng lương thực trên toàn cầu.
Tuy nhiên, quá trình này đòi hỏi đầu vào năng lượng nhiên liệu hóa thạch cao do yêu cầu về nhiệt độ và áp suất cao. Hydro được sử dụng cho quá trình này được sản xuất từ khí tự nhiên (chủ yếu là metan). Quá trình sản xuất hydro này tiêu tốn năng lượng và đi kèm với lượng khí thải carbon dioxide khổng lồ.
Để khắc phục những vấn đề này, nhiều chất xúc tác khác nhau đã được phát triển để cho phép phản ứng tiến hành trong điều kiện nhẹ nhàng hơn, sử dụng hydro được tạo ra từ quá trình điện phân nước thông qua năng lượng tái tạo. Trong số đó có các chất xúc tác dựa trên nitride có chứa các hạt nano kim loại hoạt tính như niken và coban (Ni, Co) được nạp trên các giá đỡ lantan nitride (LaN).
Trong các chất xúc tác này, cả kim loại hỗ trợ và kim loại hoạt động đều tham gia vào quá trình tạo NH3. Kim loại hoạt động phân tách H2 trong khi hỗ trợ LaN chứa các chỗ trống nitơ và các nguyên tử nitơ trong cấu trúc tinh thể của nó hấp thụ và hoạt hóa nitơ (N2). Mặc dù các chất xúc tác này không đắt (vì chúng tránh sử dụng ruthenium, gây tốn kém), nhưng hiệu suất xúc tác của chúng bị giảm khi có hơi ẩm, với sự hỗ trợ của LaN chuyển hóa thành lantan hydroxit (La (OH) 3).
Giờ đây, trong một nghiên cứu mới được công bố trên Angewandte Chemie, các nhà nghiên cứu từ Trung Quốc và Nhật Bản, dẫn đầu bởi Giáo sư Hideo Hosono từ Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech), Nhật Bản, đã phát triển một chất xúc tác ổn định về mặt hóa học, ổn định khi có hơi ẩm. Lấy cảm hứng từ các hợp chất đất hiếm ổn định có chứa các liên kết hóa học giữa kim loại đất hiếm (trong trường hợp này là La) và một kim loại, họ đã kết hợp các nguyên tử nhôm vào cấu trúc LaN và tổng hợp một chất hỗ trợ La3AlN ổn định về mặt hóa học có chứa các liên kết La-Al ngăn chặn nguyên tử lantan khỏi phản ứng với hơi ẩm.
Hỗ trợ La-Al-N cùng với các kim loại hoạt động, chẳng hạn như niken và coban (Ni, Co), có thể tạo ra NH3 ở tốc độ tương tự như tốc độ đạt được với các chất xúc tác nitrit kim loại thông thường và có thể duy trì sản xuất ổn định khi được cung cấp hơi ẩm chứa khí nitơ. Giáo sư Hosono cho biết: “Các chất xúc tác La-Al-N được nạp Ni hoặc Co không cho thấy sự suy giảm rõ rệt sau khi tiếp xúc với độ ẩm 3,5%.
Trong khi các nguyên tử Al ổn định giá đỡ, các khuyết tật nitơ và nitơ mạng có trong hỗ trợ pha tạp cho phép tổng hợp amoniac theo cách tương tự như các chất xúc tác nitrit kim loại hoạt tính / kim loại đất hiếm thông thường. "Nitơ mạng cũng như vị trí trống nitơ trong La-Al-N đóng một vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ N2, với sự hỗ trợ của La-Al-N và kim loại hoạt động Ni chịu trách nhiệm cho sự hấp thụ và hoạt hóa N2 và H2 tương ứng", GS. . Hosono.
Quy trình Haber-Bosch là một phản ứng hóa học tiêu tốn nhiều năng lượng, chiếm khoảng 1% lượng khí thải carbon dioxide hàng năm trên toàn cầu. Trong khi các phương pháp tiếp cận thân thiện với môi trường thay thế để sản xuất NH3 đang được nghiên cứu, việc sử dụng các chất xúc tác rẻ tiền có thể mang lại lợi ích tức thì bằng cách cho phép quá trình hoạt động trong các điều kiện nhẹ nhàng hơn.
