Ученые из Токийского столичного университета раскрыли неожиданный механизм, лежащий в основе экологически чистого производства аммиака – ключевого компонента удобрений. Их открытие касается того, как катализатор действует в процессе электрохимического восстановления нитратов, предлагая более «зеленую» альтернативу традиционным промышленным методам и открывая новые возможности для развития чистой химии.
Аммиак играет центральную роль в сельском хозяйстве, но его современное производство чаще всего связано с крайне энергозатратным процессом Габера-Боша. Эта технология требует высоких температур и давлений, потребляет огромное количество энергии и является причиной примерно 1,4% глобальных выбросов углекислого газа. В условиях растущей потребности в продовольствии и глобальных климатических вызовов поиск более чистых методов производства аммиака становится приоритетной задачей.
Именно поэтому исследовательская группа под руководством профессора Фумиаки Амано из Токийского столичного университета сосредоточила усилия на электрохимическом восстановлении нитратов. Этот перспективный метод позволяет получать аммиак из нитратов при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении. Несмотря на предыдущие исследования отдельных этапов реакции, полный механизм формирования аммиака при использовании электрохимических методов оставался не до конца ясным.
Используя передовые методы измерения, такие как операндо рентгеновская абсорбция, которая позволяет отслеживать как электронное поведение, так и структурные изменения катализатора в режиме реального времени, команда получила гораздо более четкое представление о том, как образуется аммиак в присутствии катализатора на основе оксида меди. Оксид меди давно считается одним из наиболее эффективных электрокатализаторов для этой реакции.
Исследователи обнаружили, что при подаче положительного напряжения нитрат-ионы «пассивируют» катализатор, связываясь с его поверхностью и предотвращая превращение оксида меди в металлическую медь. Вместо этого образуются нитрит-ионы. Однако при увеличении отрицательного напряжения производство аммиака резко возрастает. Этот скачок происходит одновременно с появлением крошечных металлических частиц меди, что было подтверждено значительным увеличением медных связей. Именно эта металлическая медь, как выяснили ученые, помогает добавлять водород к нитрит-ионам, что и приводит к образованию аммиака.
Таким образом, исследование показало, как поверхностная пассивация влияет на эффективность оксида меди и подтвердило, что образование металлической меди непосредственно в процессе реакции критически важно для эффективного производства аммиака. Эти результаты открывают новые пути для разработки более совершенных «зеленых» методов получения аммиака и проектирования будущих поколений электрохимических катализаторов.
