15年2024月XNUMX日(Nanowerkスポットライト) アンモニアは、世界中で何十億もの食料と物質の生産を支える肥料や化学物質の生産に不可欠です。しかし、従来の工業規模のアンモニア合成には多大な環境コストがかかります。 2 年前から主流となっているハーバー・ボッシュ法は、世界中のエネルギー使用量の XNUMX% 以上を占めている一方で、大量の二酸化炭素を排出しています。世界的なアンモニア需要が増加し続ける中、エネルギー効率と持続可能性を向上させた代替のグリーン生産ルートを開発する機運が高まっています。空気からアンモニアを電気化学的に抽出するこれまでの試みは、収率の低下、効率の低さ、安定性の欠如などの大きな障害に直面していました。分子状窒素 (N2) 結合を破壊して活性化するには、膨大なエネルギーの入力が必要です。ほとんどの触媒は N を吸着または分解できません2 競合する副反応が優勢になる前に、分子を効果的に除去します。遷移金属は可能性を示しますが、その導電性により性能が制限されることがよくあります。これらのハードルを克服するために、研究者チームは超微粒子酸化モリブデン (MoO) からなる電極触媒を開発しました。2)窒素ドープ炭素繊維支持体全体に固定されたナノ粒子。 「アンモニア生産に革命をもたらす私たちの研究は、従来のハーバー・ボッシュプロセスに代わる環境に優しい代替法の先駆者であり、環境への悪影響を軽減し、より環境に優しい産業および農業の未来の可能性を受け入れます。」 エジソン・H・アンシンガポール南洋理工大学助教授はNanowerkに語った。チームの調査結果は、 PNAS (「粒界エンジニアリングにより酸素欠損を最適化し、電極触媒による窒素還元を強化」).
MoO の合成の概略図2/Cx。 (PNAS の許可を得て転載) 彼らの最適化プロセスは MoO の操作に焦点を当てていました2 結晶境界を形成して、構造内に豊富な酸素空孔を生成します。これらの空孔サイトは N を強力にトラップする可能性があります2 分子を結合し、より少ないエネルギーで結合を切断するための反応性界面を提供し、反応速度を大幅に向上させます。一方、周囲の導電性炭素マトリックスはモリブデン中心への電子輸送を強化し、凝集を防ぎます。 「MoO の加熱には注意してください」2/炭素触媒を700℃まで加熱(MoO2/C700)準備中に、最大の空孔を持つ小さな界面粒子を生成するのに最適であることが判明しました」とアン氏は説明します。 「アルカリ条件下で電解アンモニア合成をテストしたところ、この熱活性化材料は、最近報告された金属ベースの対応物よりも4倍以上高い記録破りの速度を達成し、通過した電荷の4分の1以上をNHに変換しました」3」同氏は、堅牢な触媒により、この高効率のアンモニア生成が 60 時間安定して維持されたと付け加えました。根底にあるメカニズムへの洞察は、最適化された MoO の反応前後の分光分析から得られます。2/C700 窒素を含むナノ構造。データは N を意味します2 分子は最初、酸素空孔部位と強く結合し、隣接するモリブデンや炭素からの電子の重要な移動を促進し、窒素-窒素三重結合を弱めて切断します。さらに入ってくるプロトンは、解離した原子状窒素に付着し、最終的にアンモニア生成物を形成し、アンモニア生成物は蓄積が増加するまで付着したままになります。高度なシミュレーションにより、この提案された反応経路が裏付けられ、酸素空孔を多く含む酸化モリブデン上では通常の酸化物表面よりも 2 倍以上強力な窒素吸収が明らかになりました。 「その後のエネルギー学も、特に重要な N を通過する代替ルートを介して、水素化ステップにとってより有利になります。2H2 中級者です」とアン氏は指摘する。 「したがって、私たちの計算は、空の欠陥の位置が触媒プロセスの障壁を大幅に低くするという観察結果を裏付けています。」彼はチームの結果を次のように要約しています。2/C700 同じ電気化学条件下で触媒を使用すると、材料内の特別に設計されたギャップとカーボン担持ナノ構造の組み合わせにより、特に純粋なカーボンファイバーと標準的な市販の酸化モリブデンと比較して測定した場合、アンモニア生成が大幅に向上することがわかります。」工業的実装にはさらなる最適化が必要ですが、これらの発見は、必須のアンモニア化学物質を得るためのより持続可能な電極触媒生産技術の概念実証を提供します。ここで開発された高性能触媒合成の容易で安価な性質により、環境に優しいプロセスをスケールアップして、エネルギーを大量に消費し汚染を引き起こす従来の工業手順に取って代わることが可能になる可能性があります。この最初の実証の先を見据えると、ナノ構造複合材料の酸素欠陥を意図的に操作するという概念的な枠組みは、窒素還元などの他の困難な反応のための改良された触媒の設計に役立つ可能性があります。
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Michael Liebreich
バーガー
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– マイケルは王立化学会による XNUMX 冊の本の著者です。
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