Las partículas de níquel se disocian H2 para proporcionar átomos de H a los átomos de N de la propia red cristalina de CeN o átomos de N que sobresalen de las moléculas de N2 que llenan una vacante de nitrógeno. En este estudio, Se encontró que CeN sin Ni también puede disociar moléculas de H2. Crédito:Sociedad Química Estadounidense 2020
Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) exploran cómo las vacantes de nitrógeno en los catalizadores participan en la síntesis de amoníaco, una sustancia química fundamental en la industria de los fertilizantes. Idearon una regla general para el diseño inteligente de catalizadores a base de nitruro en función de su energía de formación de vacantes de nitrógeno y crearon un catalizador de alto rendimiento para la síntesis de amoníaco utilizando cerio. un abundante metal de transición.
Amoníaco (NH 3 ) es una sustancia química natural en el medio ambiente, pero su uso generalizado como ingrediente importante en varios procesos de fabricación lo ha convertido en uno de los productos químicos más producidos. Es fundamental en la producción de fertilizantes y ayuda a aumentar el rendimiento de varios cultivos. Debido a su gran demanda, más de 150 millones de toneladas de NH 3 se producen anualmente. No es sorprendente, Los químicos han estado buscando activamente formas ecológicas y energéticamente eficientes de sintetizar NH 3 .
La forma convencional de producir NH 3 es mediante el uso directo de nitrógeno (N 2 ) e hidrógeno (H 2 ) gases. Pero, romper el fuerte enlace entre los átomos de N es un desafío. Aquí es donde entran en juego los catalizadores (materiales que facilitan las reacciones necesarias). Desafortunadamente, el catalizador de mejor rendimiento actual para NH 3 la síntesis requiere rutenio, un metal raro y caro. En un esfuerzo por encontrar alternativas, científicos de Tokyo Tech, incluido el Dr. Tian-Nan Ye, Profesor Masaaki Kitano, y el profesor Hideo Hosono, Recientemente he intentado descubrir exactamente qué es un buen catalizador para romper N 2 y produciendo NH 3 .
Diagrama comparativo de la energía requerida en cada paso durante la síntesis de NH3 utilizando diferentes catalizadores. Ni / CeN tiene el perfil energético más favorable para la formación de nuevas vacantes de nitrógeno, lo que da como resultado un mejor rendimiento catalítico. Crédito:Sociedad Química Estadounidense 2020
En un artículo anterior publicado en Naturaleza , Hosono y sus colegas habían presentado una estrategia novedosa para producir NH 3 que implicó el uso de nitruro de lantano (LaN) junto con nanopartículas de níquel (Ni). La contribución clave de este estudio fue la comprensión de que las vacantes de nitrógeno juegan un papel importante en el proceso catalítico, lo que les permitió diseñar un catalizador a base de La con un rendimiento comparable al de los basados en rutenio. En un estudio reciente, publicado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense , El equipo de investigación llevó sus hallazgos aún más lejos y exploró si la energía requerida para producir estas vacantes de nitrógeno es lo que finalmente define el desempeño de los catalizadores durante NH 3 producción.
Las vacantes de nitrógeno en la superficie del catalizador pueden capturar fácilmente N 2 y debilitar su enlace N-N, después de lo cual los átomos se disociaron de H 2 en las nanopartículas de Ni saltan sobre el átomo de N que sobresale para producir NH 3 . Además, Los átomos de H disociados también pueden formar NH 3 directamente usando átomos de N de la propia red cristalina del catalizador, creando así nuevas vacantes de nitrógeno en el proceso. Tras el éxito de su anterior catalizador Ni / LaN, en este estudio, crearon y compararon catalizadores similares con diferentes energías de formación de vacantes de nitrógeno (ENV).
Entre los catalizadores probados, El nitruro de cerio cargado de Ni (CeN) exhibió el mejor rendimiento catalítico debido a su ENV relativamente bajo. El desempeño de los otros materiales probados también estuvo directamente relacionado con su respectivo ENV. Emocionado por los resultados, El profesor Hosono comenta:"Ahora podemos proponer una regla general para el diseño de catalizadores basados en nitruros para NH 3 síntesis, en el que su ENV domina su desempeño catalítico. "Más notablemente, la actividad catalítica de Ni / CeN era comparable a la de los catalizadores a base de rutenio, representando una potencial alternativa ecológica compuesta por materiales más abundantes.
Y lo que es más, el equipo también notó que la carga de Ni en CeN ni siquiera era necesaria; Las vacantes de nitrógeno en CeN también pueden desencadenar la disociación de H 2 moléculas. "Se demostró que el CeN por sí solo y con carga de Ni produce los catalizadores más eficientes y estables para la síntesis de amoníaco entre los diferentes catalizadores de nitruro que investigamos, "explica Ye. El equipo tiene la esperanza de que la información obtenida de este estudio también pueda ser útil en aplicaciones distintas de la síntesis de amoníaco. Kitano concluye:"Comprender el papel de los nitruros puede arrojar luz sobre el diseño y desarrollo de catalizadores eficientes basados en metales de transición para otros procesos químicos".
