La adición de átomos de cobalto para llenar las vacantes en cristales de disulfuro de molibdeno 2D mejora la capacidad del material para catalizar el amoníaco a partir del dinitrógeno. Los científicos de la Universidad de Rice han desarrollado un método "verde" para la síntesis de amoníaco a pequeña escala que utiliza menos energía y produce menos dióxido de carbono que los procesos industriales. Crédito:Lou Group / Rice University
Los investigadores de la Universidad de Rice han desarrollado un método inorgánico para sintetizar amoníaco que es a la vez amigable con el medio ambiente y puede producir el valioso químico bajo demanda en condiciones ambientales.
El laboratorio del científico de materiales de la Escuela de Ingeniería Brown, Jun Lou, manipuló un cristal bidimensional que entiende bien —disulfuro de molibdeno— y lo convirtió en un catalizador eliminando átomos de azufre de la estructura enrejada y reemplazando el molibdeno expuesto con cobalto.
Esto permitió que el material imitara el proceso orgánico natural que utilizan las bacterias para convertir el dinitrógeno atmosférico en amoníaco en los organismos. incluso en humanos, que usan amoníaco para ayudar al funcionamiento del hígado.
El proceso inorgánico permitirá que se produzca amoníaco en cualquier lugar donde se necesite como un complemento a pequeña escala para la industria. que produce millones de toneladas de la sustancia química cada año a través del proceso inorgánico Haber-Bosch.
La investigación se describe en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .
"El proceso Haber-Bosch produce mucho dióxido de carbono y consume mucha energía, "Dijo el coautor principal y estudiante graduado de Rice, Xiaoyin Tian." Pero nuestro proceso usa electricidad para activar el catalizador. Podemos obtener eso de la energía solar o eólica ".
Los investigadores ya sabían que el disulfuro de molibdeno tenía afinidad para unirse con el dinitrógeno, una molécula de origen natural de dos átomos de nitrógeno fuertemente unidos que forma aproximadamente el 78% de la atmósfera de la Tierra.
Las imágenes microscópicas muestran disulfuro de molibdeno dopado con cobalto como crecido en una tela de carbón. La imagen del microscopio electrónico de transmisión de alta resolución a la derecha revela las nanohojas dopadas, que facilitan la catálisis electroquímica eficiente del amoniaco. El proceso fue desarrollado para uso a pequeña escala por científicos de materiales de la Universidad de Rice. Crédito:Lou Group / Rice University
Simulaciones computacionales de Mingjie Liu, un investigador asociado en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, mostró que reemplazar algunos átomos de molibdeno expuestos con cobalto mejoraría la capacidad del compuesto para facilitar la reducción del dinitrógeno a amoníaco.
Las pruebas de laboratorio en Rice mostraron que esto era así. Los investigadores reunieron muestras del material a nanoescala cultivando cristales de disulfuro de molibdeno defectuosos en una tela de carbono y agregando cobalto. (Los cristales son técnicamente 2-D pero aparecen como un plano de átomos de molibdeno con capas de azufre arriba y abajo). Con la corriente aplicada, el compuesto produjo más de 10 gramos de amoniaco por hora usando 1 kilogramo de catalizador.
Xiaoyin Tian, estudiante de posgrado de la Universidad Rice, izquierda, y el investigador postdoctoral Jing Zhang dirigieron el esfuerzo para desarrollar un catalizador inorgánico para el amoníaco basado en dopados, disulfuro de molibdeno bidimensional. Crédito:Lou Group / Rice University
"La escala no es comparable a los procesos industriales bien desarrollados, pero puede ser una alternativa en casos específicos, "dijo el coautor principal Jing Zhang, investigador postdoctoral en Rice. "Permitirá la producción de amoniaco donde no haya planta industrial, e incluso en aplicaciones espaciales ". Dijo que los experimentos de laboratorio utilizaron alimentaciones dedicadas de dinitrógeno, pero la plataforma puede tirar de él fácilmente desde el aire.
Lou dijo que otros dopantes pueden permitir que el material catalice otros químicos, un tema para estudios futuros. "Pensamos que había una oportunidad aquí para tomar algo con lo que estamos muy familiarizados y tratar de hacer lo que la naturaleza ha estado haciendo durante miles de millones de años". ", dijo." Si diseñamos un reactor de la manera correcta, la plataforma puede realizar su función sin interrupciones ".
