Катализатор на основе нитрида лантана ускорил образование аммиака

Hideo Hosono et al. / Nature, 2020
Японские химики разработали катализатор на основе нитрида лантана с добавлением никеля, проверили его способность ускорять реакцию образования аммиака из азота и водорода и установили механизм происходящих процессов. Материал позволял аммиаку стабильно и непрерывно образовываться в течении 100 часов, а также смог функционировать лучше аналогичных материалов из переходных металлов и сопоставим с более дорогим рутениевым катализатором. Результаты исследования опубликованы в Nature.
Аммиак широко используется в промышленности и является ключевым компонентом в производстве азотных удобрений. Это вещество получают по реакции атмосферного азота с водородом, но не напрямую, а с использованием катализаторов, снижающих энергию активации реакции. Чаще всего это либо дорогостоящие металлы, либо менее эффективные неорганические соединения.
Недавно ученые показали, что нитриды переходных металлов с вакансиями азота в кристаллической решетке на поверхности материала снижает энергию связи азота в воздухе, благоприятствуя ее разрыву. Тянь-Нань Е (Tian-Nan Ye) с коллегами из Токийского технологического института создали катализатор на основе нитрида лантана с добавлением никеля и проверили его свойства. Материал представлял собой частицы размером около 30 нанометров.
Каталитическая активность наноматериала была выше пяти с половиной микромоль на грамм катализатора в час при температуре 400 градусов Цельсия и давлении 0,1 мегапаскаля. Аммиак образовывался с постоянной скоростью в течение 100 часов, по прошествии которых кристаллическая структура катализатора, состав поверхности и размер частиц почти не изменились. Катализатор проявил себя лучше аналогов на основе кобальта и никеля, и сопоставим с катализаторами на основе дорогостоящего рутения. Скорость реакции росла монотонно с ростом давления, при этом отравления водородом не наблюдалось.
Авторы работы предполагают, что продемонстрированная высокая каталитическая активность материала, который сочетал в своем составе нитрид редкоземельного металла и переходный металл, сподвигнет к разработке новых катализаторов из более распространенных элементов.
Существуют катализаторы, которые повышают скорость реакции с помощью отдельных атомов. Так, катализатор из атомов платины предложили использовать в реакции гидрирования непредельных углеводородов. Другой группе химиков удалось создать каталитическую поверхность с равномерно распределенными парами атомов иридия.
Алина Кротова