Wenn sich die Welt in Richtung Nachhaltigkeit bewegt, wächst die Nachfrage nach effizienten Alternativen in den Branchen weiter. Ammoniak, eine wichtige Chemikalie, die in Düngemitteln, Sprengstoff und verschiedenen anderen Produkten verwendet wird, wird hauptsächlich durch den energieintensiven Haber-Bosch-Prozess synthetisiert.
Dieser Prozess erfordert extrem hohe Temperaturen und Drucke, was zu globalen Kohlendioxidemissionen beiträgt. Herkömmliche Katalysatoren wie Eisen und Ruthenium verlassen sich auf diese harten Bedingungen, um die Reaktion voranzutreiben.
In einer Studie von Forschern des Institute of Science Tokyo, dem Nationalen Institut für Materialwissenschaft und der Tohoku University, Japan, unter der Leitung von Professor Masaaki Kitano, wird Ba3sio5 -Xnyhz -Katalysator als nachhaltige Alternative zu traditionellen Katalysern untersucht und möglicherweise die Ammonia -Synthese revolutioniert.
Leerstellen, insbesondere Anionenleber innerhalb der dreidimensionalen Struktur von Katalysatoren, fungieren als aktive Stellen. Diese aktiven Stellen sind energisch am Katalyseprozess beteiligt. Ohne das Vorhandensein von Übergangsmetallstellen sind jedoch nicht wirksam. Diese Einschränkung inspirierte die Forscher, einen übergangsfreien Katalysator zu entwickeln.
Online veröffentlicht in Naturchemie Am 17. Februar 2025 zielt die Studie darauf ab, effizientere, nachhaltige Ammoniaksynthesemethoden zu entwickeln.
Kitano erklärt: „Wir haben uns auf Tribarium Silicat (Ba3sio5) für die Synthese unseres neuartigen Katalysators aufgrund seiner einzigartigen Kristallstruktur und chemischen Eigenschaften konzentriert, die das Potenzial zur geringeren Energiebedanz und die Reduzierung der Betriebsbedingungen bieten.“
Um die Umwelt- und Energieherausforderungen zu bewältigen, die durch herkömmliche Synthesemethoden stammen, entwickelte und testete das Forschungsteam verschiedene Mischanionenmaterialien.
Die Studie wurde in mehreren Phasen fortgeschritten. Zunächst synthetisierten die Forscher ein neuartiges BA-Si Oxynitrid-Hydrid, Ba3sio5-Xnyhz, durch eine niedrige Temperatur (400–700 ° C) Feststoffreaktion von Bariumamid mit Siliziumdioxid (400–700 ° C). Die resultierende chemische Zusammensetzung wurde als ba3sio2.87n0.80H1.86 bestimmt.
Diese Synthesetemperatur ist viel niedriger als die Synthesetemperaturen (1100–1400 ° C) herkömmlicher Silikatmaterialien wie Ba3sio5, Ba3si6o9n4 und Basi2O2N2. Der synthetisierte Ba3sio5 – Xnyhz zeigte eine außergewöhnliche Stabilität als Katalysator für die Ammoniaksynthese selbst in Abwesenheit von Übergangsmetallstellen.
Es zeigte eine höhere Aktivität und eine geringere Aktivierungsenergie als der konventionelle Ruthenium-MGO-Katalysator. Andererseits zeigten Ba3sio5, Ba3si6o9n4 und Basi2O2N2 keine katalytische Aktivität.
Die Ammoniaksyntheseaktivität des BA3SIO5 -XNYHz -Katalysators wurde unter unterschiedlichen Temperaturen und Drücken getestet, und die strukturellen Eigenschaften wurden unter Verwendung fortschrittlicher Instrumentierungstechniken analysiert.
Um die Leistung weiter zu verbessern, wurden Ruthenium -Nanopartikel eingeführt. Die Forscher fanden heraus, dass Ba3sio5 – Xnyhz die höchste katalytische Aktivität mit Ruthenium -Nanopartikeln zeigte.
„Die Zugabe von Ruthenium -Nanopartikeln steigerte die katalytische Leistung signifikant und ermöglicht die effizientere Ammoniaksynthese unter milderen Bedingungen Konventionelle Katalysatoren.
Diese Ergebnisse deuten auf einen nachhaltigeren und energieeffizienteren Weg für die Ammoniaksynthese hin.
In der Studie werden wichtige Vorteile hervorgehoben: Reduzierte Temperatur und Druck verbessern die Effizienz, während der Übergangsmetall-freier Weg die Emissionen und die Ressourcenabhängigkeit unterbrochen und die Nachhaltigkeit unterstützt.
Darüber hinaus positionieren die skalierbare Synthese und die robuste Leistung von Ba3sio5 – Xnyhz -Katalysatoren sie als vielversprechende Kandidaten für die industrielle Einführung und bieten einen nachhaltigeren Ansatz für die Ammoniakproduktion in Maßstab. Diese Ergebnisse eröffnen auch Wege für weitere Forschungsergebnisse zur metallfreien Übergangskatalyse für andere kritische Prozesse.
Diese Studie stellt einen erheblichen Schritt in Richtung einer nachhaltigen Ammoniaksynthese dar, die sich mit einer großen Herausforderung in der industriellen Chemie befasst. Durch den Nachweis des Potenzials des Ba3sio5 -Xnyhz -Katalysators haben die Forscher die Grundlage für einen grüneren und effizienteren Ansatz zur Herstellung von Ammoniak, eine wesentliche Chemikalie, gelegt.
Weitere Informationen:
Zhujun Zhang et al., Anionenlebnisse aktivieren N2 bis Ammoniak auf Ba-Si-Orthosilikat-Oxynitrid-Hydrid, Naturchemie (2025). Doi: 10.1038/s41557-025-01737-8