Наночастицы, управляемые солнечным светом, обеспечивают более чистый синтез аммиака при комнатной температуре

Аммиак (NH₃) — бесцветное химическое соединение, состоящее из азота и водорода, которое широко используется в сельском хозяйстве и промышленности. Помимо прочего, его используют для производства удобрений, а также чистящих средств и взрывчатых веществ.

В настоящее время аммиак в основном производится с помощью так называемого процесса Габера-Боша, промышленного метода, который влечет за собой реакцию между азотом и водородом при очень высоких температурах и давлении. Несмотря на широкое распространение, этот процесс, как известно, очень энергозатратен и, по оценкам, на него приходится около 3% глобальных выбросов парниковых газов.

Исследователи из Инженерной школы Стэнфордского университета, Бостонского колледжа и других институтов выявили новые многообещающие катализаторы (то есть материалы, ускоряющие химические реакции), которые могут обеспечить синтез аммиака под действием солнечного света при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении.

Эти катализаторы, описанные в статья опубликована в Природная энергиясостоят из металлических наночастиц, которые сильно взаимодействуют со светом.

«На процесс синтеза аммиака Габера-Боша приходится около 3% глобальных выбросов парниковых газов», — пишут в статье Линь Юань, Брайли Б. Буржуа и их коллеги.

“Плазмонные катализаторы сильно концентрируют свет и могут изменять промежуточные продукты реакции посредством неравновесных процессов, открывая потенциал для альтернативного, менее энергоемкого пути синтеза аммиака. Мы показываем, что биметаллические наночастицы золота и рутения (AuRu) могут синтезировать аммиак при комнатной температуре и давлении с использованием видимого света».

Переосмысление производства аммиака

Новые катализаторы, созданные исследователями, по сути представляют собой крошечные частицы AuRu, в которых золото и рутений присутствуют в разных соотношениях. Когда свет падает на эти частицы, они реагируют и ускоряют реакцию между азотом и водородом, в конечном итоге образуя аммиак.

Исследователи продемонстрировали свою эффективность в качестве катализаторов, используя эти наночастицы для производства аммиака при комнатной температуре и нормальном давлении. Они также наблюдали за химическими реакциями, посредством которых производился аммиак, используя метод, известный как инфракрасная спектроскопиякоторый использует инфракрасный луч для исследования образцов и измерения пропускания света внутри них.

«Мы создаем сплавы AuRu различного состава и добиваемся производительности аммиака ~60 мкмоль на грамм слоя катализатора в час», — пишут авторы.

«Инфракрасная спектроскопия in situ показывает, что свет ускоряет гидрирование промежуточных соединений азота по сравнению с традиционным термическим катализом».

Первоначальные результаты команды были весьма многообещающими, поскольку созданные ими катализаторы позволили им успешно производить аммиак в условиях окружающей среды, значительно ускоряя реакцию по сравнению со многими другими ранее предложенными подходами.

Исследователи также провели компьютерное моделирование, чтобы лучше понять, как облученные светом наночастицы AuRu повлияли на общее производство аммиака.

Интересно, что их анализ и моделирование показали, что механизм производства аммиака напоминает биологический процесс, посредством которого аммиак создается в естественных условиях.

«Благодаря компьютерному моделированию мы демонстрируем, что фотовозбужденные электроны активируют ассоциативные пути гидрирования для активации азота, а не прямое разрушение связей азот-азот», — пишут Юань, Буржуа и их коллеги.

«Этот механизм, поддерживаемый светом, требует совместной работы водорода и света для преодоления барьера активации азота, имитируя то, как биологические ферменты естественным образом производят аммиак, и обеспечивая фундаментальную информацию для разработки устойчивого и энергоэффективного химического синтеза».

Рисование с натуры для улучшения химического производства

Эта работа Юаня, Буржуа и их сотрудников может иметь важные последствия для будущего производства аммиака. Известно, что процессы производства аммиака способствуют загрязнению Земли, и этот подход может стать более устойчивой альтернативой.

В будущем другие исследователи энергетики могли бы почерпнуть вдохновение из этого исследования и разработать аналогичные световые решения для производства аммиака или других ценных соединений. Между тем, подход команды можно было бы усовершенствовать и протестировать в более широком диапазоне условий.

В конечном итоге разработанные ими катализаторы смогут быть внедрены как на крупных промышленных предприятиях, так и на небольших химических предприятиях, что позволит обеспечить более чистое производство различных продуктов на основе аммиака.

© 2025 Сеть Science X