L'aggiunta di atomi di cobalto per riempire i vuoti nei cristalli di bisolfuro di molibdeno 2D migliora la capacità del materiale di catalizzare l'ammoniaca dal diazoto. Gli scienziati della Rice University hanno sviluppato un metodo "verde" per la sintesi su piccola scala dell'ammoniaca che utilizza meno energia e produce meno anidride carbonica rispetto ai processi industriali. Credito:Lou Group/Rice University
I ricercatori della Rice University hanno sviluppato un metodo inorganico per sintetizzare l'ammoniaca che rispetta l'ambiente e può produrre la preziosa sostanza chimica su richiesta in condizioni ambientali.
Il laboratorio di scienziata dei materiali della Brown School of Engineering Jun Lou ha manipolato un cristallo bidimensionale che comprende bene, il disolfuro di molibdeno, e lo ha trasformato in un catalizzatore rimuovendo gli atomi di zolfo dalla struttura reticolare e sostituendo il molibdeno esposto con cobalto.
Ciò ha permesso al materiale di imitare il processo organico naturale utilizzato dai batteri per trasformare il diazoto atmosferico in ammoniaca negli organismi, anche nell'uomo, che usano l'ammoniaca per aiutare la funzione epatica.
Il processo inorganico consentirà di produrre ammoniaca ovunque sia necessaria come aggiunta su piccola scala all'industria, che produce milioni di tonnellate di sostanza chimica ogni anno attraverso il processo inorganico Haber-Bosch.
La ricerca è descritta nel Giornale della Società Chimica Americana .
"Il processo Haber-Bosch produce molta anidride carbonica e consuma molta energia, ", ha affermato Xiaoyin Tian, co-autore e studente laureato alla Rice. "Ma il nostro processo utilizza l'elettricità per attivare il catalizzatore. Possiamo ottenerlo dal solare o dal vento".
I ricercatori sapevano già che il bisolfuro di molibdeno aveva un'affinità per il legame con il diazoto, una molecola naturale di due atomi di azoto fortemente legati che forma circa il 78% dell'atmosfera terrestre.
Le immagini al microscopio mostrano disolfuro di molibdeno drogato con cobalto cresciuto su un panno di carbonio. L'immagine al microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione a destra rivela i nanofogli drogati, che facilitano l'efficiente catalisi elettrochimica dell'ammoniaca. Il processo è stato sviluppato per l'uso su piccola scala dagli scienziati dei materiali della Rice University. Credito:Lou Group/Rice University
Simulazioni computazionali di Mingjie Liu, un ricercatore associato al Brookhaven National Laboratory, hanno mostrato che la sostituzione di alcuni atomi di molibdeno esposti con cobalto aumenterebbe la capacità del composto di facilitare la riduzione del diazoto ad ammoniaca.
I test di laboratorio alla Rice hanno mostrato che era così. I ricercatori hanno assemblato campioni del materiale su scala nanometrica coltivando cristalli difettosi di disolfuro di molibdeno su tessuto di carbonio e aggiungendo cobalto. (I cristalli sono tecnicamente 2-D ma appaiono come un piano di atomi di molibdeno con strati di zolfo sopra e sotto.) Con la corrente applicata, il composto ha prodotto più di 10 grammi di ammoniaca all'ora usando 1 chilogrammo di catalizzatore.
Xiaoyin Tian, studentessa della Rice University, sinistra, e il ricercatore post-dottorato Jing Zhang ha guidato lo sforzo di sviluppare un catalizzatore inorganico per l'ammoniaca a base di drogato, bisolfuro di molibdeno bidimensionale. Credito:Lou Group/Rice University
"La scala non è paragonabile a processi industriali ben sviluppati, ma può essere un'alternativa in casi specifici, ", ha affermato il co-autore Jing Zhang, un ricercatore post-dottorato alla Rice. "Permetterà la produzione di ammoniaca dove non ci sono impianti industriali, e anche in applicazioni spaziali." Ha detto che gli esperimenti di laboratorio hanno utilizzato feed dedicati di diazoto, ma la piattaforma può facilmente estrarlo dall'aria.
Lou ha detto che altri droganti possono consentire al materiale di catalizzare altre sostanze chimiche, un argomento per studi futuri. "Pensavamo che ci fosse un'opportunità qui per prendere qualcosa che ci è molto familiare e provare a fare ciò che la natura ha fatto per miliardi di anni, " ha detto. "Se progettiamo un reattore nel modo giusto, la piattaforma può svolgere la sua funzione senza interruzioni."
