Репортаж от Wedoany，Исследователи Венского технического университета (TU Wien) показали, как с помощью оптимизации дизайна катализатора, используя солнечный свет, воду, воздух и металлоорганические катализаторы, можно осуществить синтез аммиака на солнечной энергии. Это исследование предоставляет ключевые идеи для разработки более эффективных и устойчивых технологий производства аммиака.
Процесс Габера-Боша (Haber–Bosch process), разработанный более века назад, превращает азот из воздуха в аммиак, который стал ключевым компонентом большинства синтетических удобрений. Сегодня около половины мирового производства продуктов питания зависит от удобрений на основе аммиака, что делает процесс Габера-Боша одним из важнейших промышленных инноваций в истории человечества. Однако энергия, необходимая для производства аммиака, составляет около 1,2% глобальных выбросов парниковых газов, что побуждает исследователей по всему миру искать более чистые и устойчивые методы производства. Ученые разработали альтернативный устойчивый путь синтеза аммиака, используя металлоорганические каркасы (MOFs) в качестве катализаторов. Исследователи Венского технического университета теперь доказали, что можно специально регулировать структуру MOF для настройки его каталитических свойств, предоставляя ценные идеи для проектирования более эффективных и устойчивых технологий производства аммиака. Этот проект является результатом международного сотрудничества: ключевые измерения были проведены в Виргинском политехническом институте и университете штата (Virginia Tech, США), а компьютерное моделирование выполнено в Технионе – Израильском технологическом институте (Technion – Israel Institute of Technology).
Для производства аммиака (NH₃) необходимо сначала активировать молекулы азота, присутствующие в воздухе в виде N₂, чтобы они вступили в реакцию с водородом. Это одна из самых прочных связей в химии: два атома азота соединены чрезвычайно стабильной тройной связью. В традиционном процессе Габера-Боша этот процесс требует давления более 150 бар и температуры не менее 400°C, что делает его крайне энергоемким. Природа предлагает более мягкий путь: некоторые бактерии используют нитрогеназы, содержащие железо, для связывания и преобразования молекул азота в мягких условиях. Аналогичного эффекта можно достичь с помощью металлоорганических каркасов (MOFs) — пористых материалов, в которых ионы металлов соединяются с определенными органическими соединениями, образуя более крупные структуры. «Как и в природных нитрогеназах, мы используем в металлоорганических каркасах железо — относительно недорогой и легкодоступный металл», — говорит доктор Корнелия Бекманн (Cornelia Baeckmann) из Венского технического университета. «Ключевой вопрос нашего исследования: как настроить органические лиганды, чтобы материал мог производить аммиак?»
«Когда свет поглощается металлоорганическим каркасом, возникает возбужденное состояние, и заряд перераспределяется, особенно концентрируясь на центрах железа», — говорит профессор Доминик Эдер (Dominik Eder) из Венского технического университета. «Окружающие органические линкеры регулируют свойства MOF, тем самым влияя на его каталитические характеристики». Таким образом, органические линкеры влияют на кинетику переноса электронов, прочность связывания азота и доступность протонов из окружающей воды к активным центрам. Как только молекула азота прикрепляется к подходящему железному центру, ее чрезвычайно стабильная тройная связь ослабевает и становится более реакционноспособной, а затем, посредством последовательного переноса электронов и протонов, молекула постепенно превращается в аммиак.
«Мы показали, что небольшие изменения в органических лигандах могут значительно изменить активность катализатора», — говорит Яна Бишофф (Jana Bischoff), первый автор исследования из Института химии материалов Венского технического университета. «Мы изучили серию металлоорганических каркасов, содержащих различные органические лиганды, чтобы понять, как регулировать активность производства аммиака». Хотя текущая работа еще не является сигналом к запуску промышленного производства аммиака, она представляет собой важный шаг в этом направлении. Металлоорганические каркасы (MOFs) открывают многообещающие новые пути для целенаправленного дизайна катализаторов для таких энергоемких и глобально важных процессов, как синтез аммиака.
Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com
