Le perovskiti sono una classe di materiali sintetici che hanno una struttura cristallina simile a quella del titanato di calcio minerale naturale. Sono stati oggetto di molti studi perché esibiscono proprietà emozionanti e uniche che possono essere sintonizzate in base alla loro composizione. Una delle loro potenziali applicazioni è come catalizzatori per la sintesi dell'ammoniaca. In altre parole, specifiche perovskiti possono essere poste all'interno di una camera di reazione con azoto e idrogeno per favorire la reazione di questi gas per formare ammoniaca.

L'ammoniaca è una sostanza utile che può essere impiegata nella produzione di fertilizzanti e prodotti chimici artificiali, e anche come vettore di energia pulita sotto forma di idrogeno, che possono essere fondamentali nelle tecnologie eco-compatibili. Però, ci sono varie sfide associate alla sintesi dell'ammoniaca e delle perovskiti stesse.

La velocità di sintesi dell'ammoniaca è generalmente limitata dall'elevata energia richiesta per dissociare le molecole di azoto. Alcuni ricercatori hanno avuto un certo successo utilizzando metalli preziosi come il rutenio. Recentemente, le perovskiti con alcuni dei loro atomi di ossigeno sostituiti da ioni idrogeno e azoto sono state sviluppate come catalizzatori efficienti per la sintesi dell'ammoniaca. Però, la sintesi tradizionale delle perovskiti con tali sostituzioni solitamente deve essere effettuata ad alta temperatura (oltre 800 gradi centigradi) e per lunghi periodi di tempo (settimane).

Per affrontare questi problemi, in un recente studio condotto presso Tokyo Tech, un gruppo di ricercatori guidati dal Prof. Masaaki Kitano ha ideato un nuovo metodo per la sintesi a bassa temperatura di una di queste perovskite ossigeno-sostituita con il nome chimico BaCeO _3-x n _sì h _z e ne ha testato le prestazioni come catalizzatore per la produzione di ammoniaca. Per realizzare questo, hanno apportato un'alterazione innovativa al processo di sintesi della perovskite. L'uso di carbonato di bario e biossido di cerio come precursori comporta una temperatura molto elevata, che è necessario per farli combinare nella perovskite di base, o BaCeO ₃ , perché il carbonato di bario è molto stabile. Inoltre, è necessario sostituire gli atomi di ossigeno con ioni azoto e idrogeno. D'altra parte, il team ha scoperto che il composto ammide di bario reagisce facilmente con il biossido di cerio sotto flusso di gas di ammoniaca per formare direttamente BaCeO _3-x n _sì h _z a basse temperature e in minor tempo. "Questa è la prima dimostrazione di una sintesi dal basso verso l'alto di un tale materiale, indicato come ossinitruro-idruro di tipo perovskite, " spiega il prof. Kitano.

I ricercatori hanno prima analizzato la struttura della perovskite ottenuta attraverso il processo proposto e poi hanno testato le sue proprietà catalitiche per la sintesi a bassa temperatura dell'ammoniaca in varie condizioni. Non solo il materiale proposto ha superato la maggior parte dei concorrenti all'avanguardia quando combinato con rutenio, ma ha anche ampiamente superato tutti se combinato con metalli più economici come il cobalto e il ferro. Ciò rappresenta enormi vantaggi in termini di prestazioni e costi associati.

Finalmente, i ricercatori hanno tentato di chiarire i meccanismi alla base del migliore tasso di sintesi dell'ammoniaca. Globale, le informazioni fornite in questo studio servono come protocollo per la sintesi di altri tipi di materiali con sostituzioni di ioni di azoto e idrogeno e per la progettazione intelligente di catalizzatori. "I nostri risultati apriranno la strada a nuove strategie di progettazione di catalizzatori per la sintesi dell'ammoniaca a bassa temperatura, " conclude il prof. Kitano. Si spera che questi risultati rendano la sintesi di materiali utili più pulita e più efficiente dal punto di vista energetico.

Lo studio è pubblicato su Journal of American Chemical Society .