Исследовательская группа из Стокгольмского университета, при сотрудничестве с DESY и Монтануниверситетом Леобен в Австрии, впервые успешно исследовала поверхность катализаторов из железа и рутения в процессе образования аммиака из азота и водорода; результаты опубликованы в научном журнале Nature. С точным пониманием того, как работают эти катализаторы, возможно выявление еще более эффективных материалов для процесса, что в свою очередь может привести к большей устойчивости в текущей химической промышленности, являющейся весьма углеродоемкой.
Аммиак, производимый по процессу Габера-Боша, в настоящее время является одним из наиболее важных базовых химических продуктов в мире для производства удобрений, с ежегодным объемом производства в 110 миллионов тонн. В 2001 году журнал Nature предложил, что процесс Габера-Боша был наиболее важным научным изобретением для человечества в течение 20-го века, поскольку он спас около 4 миллиардов жизней, предотвращая массовое голодание. Оценка содержания азота в ДНК и белках наших тел показывает, что половина атомов может происходить от Габера-Боша.
«Несмотря на три Нобелевских приза (1918, 1931 и 2007 года) за процесс Габера-Боша, не удавалось экспериментально исследовать поверхность катализатора методами, чувствительными к поверхности, в реальных условиях производства аммиака; экспериментальные методы с достаточной чувствительностью к поверхности при высоких давлениях и температурах ранее были недостижимыми. Следовательно, различные гипотезы о состоянии железного катализатора, будь то металлическое или нитридное, а также о природе промежуточных видов, важных для механизма реакции, не могли быть однозначно подтверждены», - говорит Андерс Нильссон, профессор химической физики Стокгольмского университета.
«То, что сделало это исследование возможным, - это то, что мы построили инструмент фотоэлектронной спектроскопии в Стокгольме, который позволяет изучать поверхность катализаторов при высоких давлениях. Таким образом, нам удалось наблюдать, что происходит во время реакции напрямую», - говорит Дэвид Дегерман, постдок по химической физике в Стокгольмском университете. «Мы открыли новую перспективу в понимании катализа производства аммиака с нашим новым инструментом, где мы теперь можем обнаруживать промежуточные продукты реакции и предоставлять доказательства механизма реакции».
«Инновационный инструмент спектроскопии из Стокгольмского университета в сочетании с параметрами пучка PETRA III теперь позволяет проводить in-operando эксперименты на катализаторах при давлениях в десять раз выше, чем в других источниках синхротронного света», - говорит Кристоф Шлютер (DESY), руководитель линии P22. «Иметь наш инструмент из Стокгольма на одном из самых ярких рентгеновских источников в мире в PETRA III в DESY в Гамбурге было критическим для проведения исследования», - говорит Патрик Лёмкер, постдок в Стокгольмском университете. «Мы теперь можем представить себе, что мы сможем исследовать в будущем с еще более яркими источниками, когда машина обновится до PETRA IV».
«Сложные измерения, наконец, разъясняют важные открытые вопросы о активных видах в синтезе аммиака», - говорит Кристоф Шлютер. В ходе исследований исследовательская группа обнаружила, что поверхность катализатора не образует нитриды, а остается металлической при всех условиях, при которых производится аммиак. Поверхность рутения - более активного катализатора, чем железо, но гораздо более дорогого - остается полностью свободной от азотистых видов, что ограничивает ее активность. Первый диссоциативный шаг, в котором молекулы азота полностью расщепляются, определяет скорость общей реакции. При повышенных температурах железо ведет себя аналогично рутению, но здесь скорость реакции частично контролируется процессом присоединения атомов водорода к азотистым видам. При более низких температурах общая скорость уменьшается, и ограничивающим шагом реакции полностью становится этот процесс водородации.
«Теперь у нас есть инструменты для проведения исследований, направленных на поиск новых катализаторов для производства аммиака, которые можно лучше использовать с электролизно-произведенным водородом для зеленого перехода химической промышленности», - говорит Андерс Нильссон.
«Вдохновляюще заниматься исследованиями в области, так тесно связанной с научным успехом, который так сильно помог человечеству. Я с нетерпением жду продолжения исследований для поиска новых катализаторов, которые могли бы уменьшить нашу зависимость от источников ископаемого топлива. Только химическая промышленность вносит вклад в 8% мировых выбросов CO2», - говорит Бернадетт Дэвис, аспирант по материаловедению в Стокгольмском университете.
«Долгосрочная перспектива проведения производства аммиака через электрокаталитическую альтернативу, которую прямо приводит солнечная или ветровая электроэнергия, крайне привлекательна, и теперь у нас есть инструменты для научной поддержки этого развития», - говорит Сергей Короидов, исследователь в Стокгольмском университете.
Исследование проводилось при сотрудничестве с DESY и Монтануниверситетом в Австрии. В исследовании также участвовали бывшие сотрудники университета, Крис Гудвин, Петер Аманн, Михаил Шиплин, Джетте Матизен и Габриэль Родригез.