L'azoto è un nutriente essenziale per la crescita delle piante. Mentre circa l'80% della terra è azoto, è per lo più contenuto nell'atmosfera sotto forma di gas, e quindi, inaccessibile alle piante. Per stimolare la crescita delle piante, soprattutto in ambito agricolo, perciò, sono necessari fertilizzanti chimici azotati. Un passaggio cruciale nella produzione di questi fertilizzanti è la sintesi di ammoniaca, che comporta una reazione tra idrogeno e azoto in presenza di un catalizzatore.

Tradizionalmente, la produzione di ammoniaca è stata eseguita attraverso il processo "Haber-Bosch", quale, pur essendo efficace, richiede condizioni di alta temperatura (400-500°C), rendendo il processo costoso. Di conseguenza, gli scienziati hanno cercato di trovare un modo per ridurre le temperature di reazione della sintesi dell'ammoniaca.

Recentemente, gli scienziati hanno segnalato il rutenio, un metallo di transizione, come un efficiente "catalizzatore" per la sintesi dell'ammoniaca, in quanto opera in condizioni più blande rispetto ai tradizionali catalizzatori a base di ferro. Però, c'è un avvertimento:le molecole di azoto devono aderire alla superficie del catalizzatore per subire la dissociazione in atomi prima di reagire con l'idrogeno per formare ammoniaca. Per il rutenio, però, la bassa temperatura spesso fa sì che le molecole di idrogeno si attacchino invece alla sua superficie, un processo chiamato avvelenamento da idrogeno, che impedisce la produzione di ammoniaca. Per lavorare con il rutenio, perciò, è necessario sopprimere il suo avvelenamento da idrogeno.

Fortunatamente, alcuni materiali possono potenziare l'attività catalitica del rutenio se usati come "supporto catalizzatore". Un team di scienziati della Tokyo Tech, Giappone, ha recentemente rivelato che i materiali lantanidi idruri della forma LnH _2+x è uno di questi gruppi di materiali di supporto. "Le prestazioni catalitiche migliorate sono ottenute da due proprietà uniche del materiale di supporto. In primo luogo, donano elettroni, che guidano la dissociazione dell'azoto sulla superficie del rutenio. Secondo, questi elettroni si combinano con l'idrogeno sulla superficie per formare ioni idruro, che reagiscono prontamente con l'azoto per formare ammoniaca e rilasciare gli elettroni, sopprimere l'avvelenamento da idrogeno del rutenio, " spiega il prof. associato Maasaki Kitano, che ha condotto lo studio.

Sospettando che la mobilità degli ioni idruro possa avere un ruolo da svolgere nella sintesi dell'ammoniaca, Il gruppo, in un nuovo studio pubblicato su Materiali energetici avanzati, studiato le prestazioni dei lantanidi ossiidruri (LaH _3-2x Ox) - conduttori di ioni idruro a quanto riferito veloci a 100-400 ° C - come materiale di supporto per rutenio, con l'obiettivo di scoprire la relazione tra la sintesi dell'ammoniaca e la mobilità degli ioni idruro.

Hanno scoperto che mentre la conduttività dello ione idruro "bulk" aveva poca attinenza con l'attivazione della sintesi dell'ammoniaca, la mobilità superficiale o "locale" degli ioni idruro ha giocato un ruolo cruciale nella catalisi aiutando a costruire una forte resistenza contro l'avvelenamento da idrogeno del rutenio. Hanno anche scoperto che, rispetto ad altri materiali di supporto, gli ossiidruri di lantanio richiedevano una temperatura di inizio inferiore per la formazione di ammoniaca (160°C) e mostravano una maggiore attività catalitica.

Per di più, il team ha osservato che la presenza di ossigeno ha stabilizzato la struttura dell'ossiidruro e gli ioni idruro contro la nitrurazione, la trasformazione dell'ossido di lantanio in nitruro di lantanio e la sua successiva disattivazione, che tende a impedire la catalisi ed è un grave svantaggio nell'uso di materiali di supporto idruro. "La resistenza alla nitrurazione è un enorme vantaggio in quanto aiuta a preservare la capacità di donazione di elettroni degli ioni idruro per una maggiore durata della reazione, " commenta il prof. Kitano.

Le prestazioni catalitiche superiori e la temperatura di inizio della sintesi inferiore ottenute utilizzando ossiidruri di lantanidi potrebbero quindi essere la soluzione molto ambita per ridurre il calore sulla produzione di ammoniaca.