Катализатор на основе нитрида лантана ускорил образование аммиака

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.

Метод изотопного мечения и теоретические расчеты позволили авторам установить механизм реакции. Никель способствовал активации водорода, очень слабо взаимодействуя с азотом, который адсорбировался и активировался в области вакансий в решетке нитрида лантана. Диссоциированный водород реагировал с молекулой азота, образуя с ним химическую связь. Более того, диссоциированный атом водорода мог напрямую атаковать азот в решетке нитрида лантана, образуя аммиак и новые вакансии на поверхности. Это гарантировало стабильный каталитический цикл, в котором дефекты решетки то заполнялись, то образовывались. Также это позволяло аммиаку образовываться даже если над поверхностью катализатора не было молекул азота.

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