Аммиак — это сырье для азотных удобрений и ключ к производству продуктов питания. Это одно из наиболее производимых химических веществ для поддержания жизни человека. Молекула аммиака — это один атом азота, связанный с тремя атомами водорода.
В результате аммиак представляет собой вещество с очень высоким содержанием водорода для своей массы. Поскольку он становится жидкостью при комнатной температуре и давлении 10 атмосфер, он также привлекает внимание в качестве энергоносителя [2] для «водорода», источника энергии для таких технологий, как топливные элементы.В процессе Габера-Боша, нынешнем промышленном методе синтеза аммиака (установленном в 1913 году), используется катализатор, состоящий в основном из железа, и требуются высокие температуры (от 400 до 500 ° C) и высокое давление (от 100 до 300 атм).
Чтобы соответствовать этим условиям, аммиак производится на больших специализированных заводах, а затем транспортируется на заводы на большой территории для использования. Уже давно существует потребность в производстве на месте [3], в котором необходимое количество аммиака может быть синтезировано там, где это необходимо, в отличие от обычного крупномасштабного процесса.Исследовательская группа Токийского технологического института, состоящая из профессора Хидео Хосоно, профессора Митиказу Хара, доцента Масааки Китано и других, открыла катализатор синтеза аммиака, который работает с высокой эффективностью при низких температурах.
Они обнаружили, что катализатор из амида кальция с небольшим количеством добавленного бария (Ba-Ca (NH2) 2) с иммобилизованными на нем наночастицами рутения проявляет каталитическую активность в 100 раз большую, чем у обычных рутениевых катализаторов, при низких температурах ниже 300 ° C. Кроме того, каталитические характеристики этого катализатора также в несколько раз выше по сравнению с железными катализаторами, используемыми в промышленности.Ацетилацетонатный комплекс рутения используется в качестве сырья для рутения. При нагревании порошка, смешанного с Ba-Ca (NH2) 2, до 400ºC в атмосфере водорода, тонкий слой бария образуется на наночастицах рутения размером около 3 нм, так как одновременно образуется пористый амид кальция. Площадь поверхности Ba-Ca (NH2) 2, исходного материала для катализатора, составляет всего около 17 м2 / г. Однако, поскольку катализатор становится пористым при нагревании до 400ºC в водороде с источником рутения, группа обнаружила, что площадь поверхности увеличивается примерно до 100 м2 / г. Кроме того, бариевый компонент, добавленный к амиду кальция, перемещается к поверхности катализатора во время этой тепловой обработки и образует тонкий слой, покрывая наночастицы рутения.
Группа обнаружила, что это уникальный катализатор, в котором такие активные структуры образуются самоорганизующимся [4] способом и остаются стабильными на протяжении всей реакции. Катализатор, разработанный в ходе этого исследования, демонстрирует самую высокую активность синтеза аммиака при низких температурах, чем любой твердый катализатор, о котором сообщалось в последние годы.Тонкий слой бария образуется на наночастицах рутения размером около 3 нанометров (нм) во время реакции этого катализатора, так как электроны с низкой работой выхода и пористый амид кальция образуются одновременно из-за дефицита амида.
Оба эти свойства указывают на высокую каталитическую активность. Группа обнаружила, что это уникальный катализатор, активные структуры которого образуются самоорганизующимся образом и остаются стабильными на протяжении всей реакции.Катализатор, разработанный в ходе этого исследования, значительно превосходит ограничения существующих каталитических материалов по своей активности синтеза аммиака и внесет значительный вклад в снижение энергии, используемой в процессе синтеза аммиака.
В связи с этим ожидается, что дальнейшее развитие этой технологии приведет к новой структуре процесса для синтеза аммиака на месте.[1] Амид кальция Ионное соединение, состоящее из Ca2 + (ион кальция) и NH2- (ион амида).[2] Энергоноситель.
Вещество, которое служит носителем для хранения и транспортировки энергии. Например, аммиак имеет три атома водорода, присоединенные к одному атому азота, что позволяет хранить много водорода.
Кроме того, поскольку он легче сжижается, чем водород, он привлекает внимание как вещество, полезное для хранения и транспортировки водорода.[3] На месте Способ производства с пониженным энергопотреблением для производства химических продуктов по мере необходимости там, где это необходимо, в отличие от обычного метода производства больших количеств на крупных предприятиях.
[4] Самоорганизация Способ, которым упорядоченная структура создается автономно.