Разработан фосфорный катализатор для производства аммиака

Москва, 12:08, 17 Янв 2019, редакция FTimes.ru, автор Евгения Ковалева.

Ученые из Южно-Китайского технологического университета выяснили, что черный фосфор является прекрасным катализатором для электровосстановления азота в аммиак.

Опыты показали, что слоистые пористые нанолисты материала являются избирательным и эффективным катализатором процесса, сообщает sciencedaily.com. Выводы проекта представлены в Angewandte Chemie. Подход может стать менее энергоемкой альтернативой процесса Хабера-Боша – основного на сегодня способа производства аммиака.

Продукт является важным сырьем для всех сфер промышленности. В процессе Харбера-Боша азот из воздуха восстанавливается водородом или синтетическим газом при высоком давлении и температуре с использованием катализатора из металла переходного ряда. Такой способ производства аммиака потребляет 1-2% мировой энергии. Ученые хотят найти менее затратные альтернативы с катализаторами, работающими в нормальных условиях окружающей среды. Особенно желанными считаются структуры без металла. Черный фосфор, наименее реактивная и нетоксичная форма элемента, оказался перспективным кандидатом. Материал изначально привлек внимание ученых за счет металлического вида и необычных электронных свойств. Его сморщенная двумерная листовидная структура может также предоставить необходимые грани и участки для адсорбции и молекулярной активации.

Отталкиваясь от этой идеи, Хайхуэй Ван из ЮКТУ с коллегами приготовил слои черного фосфора с помощью гибкого жидкостного отшелушивания. Каталитические нанолисты были помещены в электрод их углеродных волокон для электролиза. Чтобы обеспечить поступление азота, им насытили раствор гидрохлоридного электролита.

При подаче напряжения электрод быстро и избирательно производил аммиак. Слоистый черный фосфор даже превзошел большинство заявленных сегодня неметаллических и металлических катализаторов. Невероятная активность и избирательность материала объясняется структурой и энергетическим балансом листов.

В ходе теоретических расчетов авторы выяснили, что зигзагообразное расположение листов фосфора создает идеальные участки для поглощения азота. А электронная структура граней лучше всего подходит для присоединения, активации и восстановления элемента с небольшими затратами энергии.

Специалисты отметили и недостатки материала. Так, при общей стабильности в нормальных условиях, эффективность структуры при долгом использовании падает из-за окисления.

«Необходимы дальнейшие улучшения для предотвращения распада фосфора в электролите», — отметили авторы.