I ricercatori del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hanno scoperto che un catalizzatore di ammide di calcio con una piccola quantità di bario aggiunto (Ba-Ca(NH ₂ ) ₂ ) con nanoparticelle di rutenio immobilizzate su di esso può sintetizzare ammoniaca con un'efficienza 100 volte maggiore di quella dei catalizzatori di rutenio convenzionali a basse temperature inferiori a 300ºC. Le prestazioni di questo catalizzatore sono anche parecchie volte superiori rispetto ai catalizzatori di ferro attualmente utilizzati a livello industriale.

L'ammoniaca è un ingrediente grezzo per i fertilizzanti azotati ed è una chiave per la produzione alimentare. Una molecola di ammoniaca è un atomo di azoto legato a tre atomi di idrogeno. Di conseguenza, l'ammoniaca è una sostanza con un contenuto di idrogeno molto elevato per la sua massa. Perché diventa un liquido a temperatura ambiente ad una pressione di 10 atmosfere, è anche un vettore energetico per l'idrogeno, la fonte di energia per tecnologie come le celle a combustibile.

Il processo Haber-Bosch, l'attuale metodo industriale di sintesi dell'ammoniaca (fondato nel 1913) utilizza un catalizzatore costituito principalmente da ferro e richiede alte temperature (da 400 a 500°C) e alte pressioni (da 100 a 300 atm). Per soddisfare queste condizioni, l'ammoniaca è prodotta in grande, stabilimenti dedicati e poi trasportato negli stabilimenti dove viene utilizzato per processi industriali. C'è da tempo la richiesta di una produzione in loco in cui la quantità richiesta di ammoniaca può essere sintetizzata dove è richiesta, rispetto al tradizionale processo su larga scala.

Il gruppo di ricerca Tokyo Tech del professor Hideo Hosono, Professor Michikazu Hara, Il professore associato Masaaki Kitano e altri hanno scoperto un catalizzatore per la sintesi dell'ammoniaca che funziona ad alta efficienza a basse temperature. Hanno scoperto che un catalizzatore di ammide di calcio con una piccola quantità di bario aggiunto (Ba-Ca(NH ₂ ) ₂ ) con nanoparticelle di rutenio immobilizzate su di esso mostra un'attività catalitica 100 volte maggiore di quella dei catalizzatori di rutenio convenzionali a basse temperature inferiori a 300ºC. Ulteriore, le prestazioni catalitiche di questo catalizzatore sono anche parecchie volte superiori rispetto ai catalizzatori di ferro utilizzati industrialmente (Figura 1).

Un complesso di acetilacetonato di rutenio viene utilizzato come materia prima per il rutenio. Riscaldando una polvere miscelata con Ba-Ca(NH ₂ ) ₂ a 400ºC in atmosfera di idrogeno, su nanoparticelle di rutenio si forma un sottile strato di bario di circa 3 nm, poiché contemporaneamente si forma ammide di calcio porosa (Figura 2). La superficie di Ba-Ca(NH ₂ ) ₂ , la materia prima per il catalizzatore, è solo circa 17 m ² /G. Però, poiché il catalizzatore diventa poroso quando riscaldato a 400ºC in idrogeno con la fonte di rutenio, il gruppo ha scoperto che la superficie si espande fino a circa 100 m ² /G. Ulteriore, il costituente del bario aggiunto all'ammide di calcio si sposta sulla superficie del catalizzatore durante questo trattamento termico e forma uno strato sottile ricoprendo le nanoparticelle di rutenio. Il gruppo ha scoperto che questo è un catalizzatore unico, con tali strutture attive che si formano in modo auto-organizzato e rimangono stabili durante la reazione. Il catalizzatore sviluppato in questa ricerca mostra la più alta attività di sintesi dell'ammoniaca a basse temperature di qualsiasi catalizzatore solido riportato negli ultimi anni.

Il catalizzatore sviluppato in questa ricerca supera di gran lunga i limiti dei materiali catalitici esistenti nella sua attività di sintesi dell'ammoniaca e contribuirà in modo significativo a ridurre l'energia utilizzata per il processo di sintesi dell'ammoniaca. A causa di ciò, l'ulteriore sviluppo di questa tecnologia dovrebbe portare a una nuova struttura di processo per la sintesi in loco dell'ammoniaca.