Un team di ricercatori ha svelato un'alternativa promettente ai mezzi convenzionali di sintesi dell'ammoniaca, più rispettosa dell'ambiente.
I dettagli della loro ricerca sono stati pubblicati nel Journal of Materials Chemistry A il 21 febbraio 2024.
Quando all’inizio del XX secolo Fritz Haber e Carl Bosch inventarono un mezzo per sintetizzare l’ammoniaca dall’azoto e dall’idrogeno, ciò consentì la produzione della sostanza chimica a livello industriale. Ad oggi, la sintesi Haber-Bosch rimane il mezzo dominante per produrre ammoniaca.
Tuttavia il metodo presenta alcuni inconvenienti ambientali. È un processo ad alta intensità energetica e di risorse e la produzione di gas idrogeno spesso coinvolge il gas naturale, che rilascia anidride carbonica come sottoprodotto.
La reazione elettrochimica di riduzione dell’azoto (ENRR), in cui il gas azoto presente nell’aria può essere convertito in ammoniaca utilizzando una corrente elettrica, è vista come un’alternativa promettente e sostenibile. La ricerca di catalizzatori ENRR ad alte prestazioni ed economici, tuttavia, è una sfida aperta per raggiungere la produzione di ammoniaca ambientale su scala commerciale.
"Abbiamo esplorato il potenziale dei disolfuri dei metalli di transizione meno preziosi (TMS2 ) come catalizzatori per l'ENRR", afferma Hao Li, professore associato presso l'Istituto avanzato per la ricerca sui materiali (WPI-AIMR) dell'Università di Tohoku e autore corrispondente dell'articolo. "Attraverso un'analisi meticolosa degli stati superficiali indotti dall'elettrochimica, abbiamo scoperto un fattore precedentemente non riconosciuto contribuendo alle loro elevate prestazioni ENRR:generazione di posti vacanti."
Li e i suoi colleghi hanno iniziato con un tipico ENRR TMS2 catalizzatore, solfuro di ferro (FeS2 ), dove hanno osservato che in condizioni ENRR, i posti vacanti possono essere facilmente generati sulla superficie del catalizzatore. Attraverso simulazioni computazionali avanzate, hanno dimostrato che questa generazione "in situ" di posti vacanti guidata dall'elettrochimica migliora significativamente l'attività ENRR promuovendo un più forte adsorbimento e attivazione di N–N.
Le osservazioni sperimentali hanno confermato i loro risultati, che erano anche coerenti con la recente letteratura sulle finestre potenziali ENRR che raggiungono la massima efficienza faradaica, la misura dell'efficacia di un processo elettrochimico nel convertire l'energia elettrica in energia chimica o viceversa.
La loro analisi si è estesa anche ad altri TMS2 catalizzatori (SnS2 , MoS2 , NiS2 e VS2 ), rivelando un fenomeno universale di generazione di posti vacanti "in situ" sotto potenziali ENRR.
"La nostra ricerca sottolinea l'importanza fondamentale di considerare gli stati superficiali nella progettazione dei catalizzatori ENRR", aggiunge Li. "Facendo luce sul ruolo dei posti vacanti S, abbiamo fornito una preziosa tabella di marcia per migliorare le prestazioni dell'ENRR e accelerare la transizione verso una produzione sostenibile di ammoniaca."
Ulteriori informazioni: Tianyi Wang et al, Origine dell'attività di riduzione elettrocatalitica dell'azoto sui disolfuri dei metalli di transizione:ruolo critico della generazione in situ di posti vacanti S, Journal of Materials Chemistry A (2024). DOI:10.1039/D4TA00307A
Informazioni sul giornale: Giornale di chimica dei materiali A
Fornito dall'Università di Tohoku
