Международная группа исследователей, в состав которой вошел сотрудник Сибирского федерального университета, обнаружила, что наночастицы золота, выращенные на органической матрице, содержащей ионы калия, показывают значительно большую эффективность электрохимического преобразования азота в аммиак.
Фото: Владислав Лоншаков, Коммерсантъ
Фото: Владислав Лоншаков, Коммерсантъ
Изобретение
Аммиак — одно из наиболее широко производимых неорганических химических веществ. Большая часть современной промышленности и сельского хозяйства основана на аммиаке, это важное сырье для производства пластмасс, волокон, красителей, взрывчатых веществ, смол, фармацевтических препаратов и искусственных удобрений. 80% и более произведенного аммиака используется для удобрения сельскохозяйственных культур.
В индустриальном масштабе синтез аммиака идет наиболее распространенным путем (процесс Харбера—Боша): смесь азота и водорода пропускается через нагретый катализатор (400–600°С) под высоким давлением (150–350 атм.). Однако такой процесс энергоемок, и на его долю приходится от 1% до 2% мирового годового потребления энергии. Крупномасштабное производство аммиака имеет высокую себестоимость. Водород для этого производится из природного газа, что ведет к выделению большого количества углекислого газа (не менее 450 млн тонн в год), усугубляя парниковый эффект.
В последние годы ученые стали обращать внимание на возможность производства аммиака с помощью электрохимической реакции восстановления азота. Такой процесс может управляться электричеством, получаемым от солнечной и ветровой энергии, и весь процесс преобразования может протекать при нормальных условиях. Множество катализаторов было исследовано за последние несколько лет, но их желаемая эффективность все еще находится на начальной стадии, поскольку сложно одновременно достичь высокого выхода аммиака и выхода по току.
«Нашим коллегам из Китая удалось экспериментально приготовить катализаторы на основе ультрадисперсных наночастиц золота, встроенных в органическую матрицу, содержащую ионы калия. Эти катализаторы показали высокую стабильность и одновременную эффективность выхода аммиака и выхода по току. Для объяснения механизма работы катализатора мы создали модели и провели расчеты. Обнаружилось, что присутствие катионов калия создает двойной эффект. С одной стороны, предотвращает приближение H3O+ к поверхности золота за счет отталкивания от положительно заряженной координационной сферы комплексов K+, что приводит к подавлению конкурирующей нежелательной реакции выделения водорода. И с другой стороны, одновременно с этим переносимый заряд усиливает взаимодействие между связанной молекулой азота и поверхностью золота, что приводит к снижению лимитирующей стадии»,— рассказал соавтор работы, старший научный сотрудник лаборатории нелинейной оптики и спектроскопии СФУ Артем Куклин.
По материалам статьи Potassium ions promote electrochemical nitrogen reduction on nano-Au catalysts triggered by bifunctional boron supramolecular assembly;
Xue Zhao, Ziqiong Yang, Artem V. Kuklin, Glib V. Baryshnikov, Hans gren, Wenjing Wang, Xiaohai Zhou and Haibo Zhang; журнал Journal of Materials Chemistry A — HOT Papers collection, июнь 2020 г.