高效的氨合成催化剂已经研发出来啦!

东京工业大学(Tokyo Tech)的研究人员发现,添加少量钡(Ba-Ca(NH 2)2)并固定有钌纳米粒子的酰胺钙催化剂可以合成氨,效率高100倍。在低于300ºC的低温下比常规钌催化剂要高。与目前工业上使用的铁催化剂相比,该催化剂的性能也高出几倍。

氨合成活性的比较(反应温度260ºC,压力9 atm)。图片来源:Angewandte Chemie

氨是氮肥的原料,是食品生产的关键。一个氨分子是具有三个氢原子键合一个氮原子。结果,氨是质量非常高的氢含量的物质。

因为它在室温下在10个大气压下变成液体,所以它还是氢的能量载体,氢是燃料电池等技术的能源。

当前的工业氨合成方法(于1913年建立)的Haber-Bosch工艺使用主要由铁制成的催化剂,需要高温(400至500ºC)和高压(100至300 atm)。

为了满足这些条件,在大型的专用工厂中生产氨,然后将其运输到工厂进行工业生产。与常规的大规模方法相反,长期以来一直需要现场生产,其中可以在需要的地方合成所需量的氨。

东京工业大学研究小组的研究人员包括细野秀夫教授,原道智一教授,北野昌昭副教授等。他们发现了一种氨合成催化剂,该催化剂在低温下具有很高的效率。

他们发现,在固定有钌纳米颗粒的情况下,添加少量钡(Ba-Ca(NH 2)2)的酰胺化钙催化剂在低于300ºC的低温下表现出的催化活性是传统钌催化剂的100倍。

此外,与工业上使用的铁催化剂相比,该催化剂的催化性能也高出几倍(图1)。乙酰丙酮钌络合物用作钌的原料。

已开发的催化剂(Ru / Ba-ca(NH2)2)的活性结构图片来源:Angewandte Chemie

通过在氢气气氛中将与Ba-Ca(NH 2)2混合的粉末加热到400ºC,在同时形成多孔酰胺钙的情况下,在尺寸约3 nm的钌纳米颗粒上形成了一层薄钡层(图2)。

催化剂的原料Ba-Ca(NH 2)2的表面积仅为约17m 2 / g。但是,由于用钌源在氢气中加热到400ºC时催化剂会变成多孔的,该小组发现表面积扩大到大约100 m 2/G。

此外,添加到酰胺钙中的钡成分在该热处理过程中移动到催化剂的表面,并通过覆盖钌纳米颗粒而形成薄层。

该小组发现这是一种独特的催化剂,这种活性结构以自组织的方式形成,并在整个反应过程中保持稳定。

在这项研究中开发的催化剂在低温下具有近年来报道的任何固体催化剂中最高的氨合成活性。

在这项研究中开发的催化剂在氨合成活性方面远远超过了现有催化材料的极限,并将大大降低氨合成工艺中使用的能量。

因此,预期该技术的进一步发展将为氨的现场合成带来新的工艺结构。

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