I ricercatori dell'Università di Stoccolma sono riusciti per la prima volta a studiare la superficie dei catalizzatori di ferro e rutenio quando l'ammoniaca si forma da azoto e idrogeno. Lo studio "Operando Probing of the Surface Chemistry Durante il processo Haber-Bosch" è pubblicato su Nature .
Una migliore conoscenza del processo catalitico e la possibilità di trovare materiali ancora più efficienti aprono le porte a una transizione verde nell'attuale CO2 -industria chimica intensiva.
L'ammoniaca, prodotta nel processo Haber-Bosch, è attualmente una delle sostanze chimiche di base più essenziali al mondo per la produzione di fertilizzanti, con una produzione annua di 110 milioni di tonnellate. Il diario Natura propose nel 2001 che il processo Haber-Bosch fosse l'invenzione scientifica più importante per l'umanità durante il 20° secolo, poiché ha salvato la vita di circa 4 miliardi di persone prevenendo la fame di massa. Una stima del contenuto di azoto nel DNA e nelle proteine del nostro corpo mostra che metà degli atomi possono derivare da Haber-Bosch.
"Nonostante tre premi Nobel (1918, 1931 e 2007) per il processo Haber-Bosch, non è stato possibile studiare sperimentalmente la superficie del catalizzatore con metodi sensibili alla superficie in condizioni reali di produzione di ammoniaca; tecniche sperimentali con sensibilità superficiale a non era stato possibile raggiungere pressioni e temperature sufficientemente elevate", afferma Anders Nilsson, professore di fisica chimica all'Università di Stoccolma.
"Di conseguenza, diverse ipotesi sullo stato del catalizzatore di ferro come metallico o in un nitruro, nonché sulla natura delle specie intermedie importanti per il meccanismo di reazione, non hanno potuto essere verificate in modo inequivocabile."
"Ciò che ha consentito questo studio è che abbiamo costruito uno strumento di spettroscopia fotoelettronica a Stoccolma che consente studi sulle superfici dei catalizzatori sotto alte pressioni. In questo modo, siamo stati in grado di osservare cosa succede quando la reazione avviene direttamente", afferma David Degerman, Postdoc in Chemical Fisica all'Università di Stoccolma.
"Abbiamo aperto una nuova strada alla comprensione della catalisi della produzione di ammoniaca con il nostro nuovo strumento grazie al quale ora possiamo rilevare gli intermedi di reazione e fornire prove del meccanismo di reazione."
"Avere il nostro strumento di Stoccolma in una delle sorgenti di raggi X più brillanti al mondo presso PETRA III ad Amburgo è stato fondamentale per condurre lo studio", afferma Patrick Lömker, ricercatore presso l'Università di Stoccolma. "Ora possiamo immaginare il futuro con sorgenti ancora più luminose quando la macchina verrà aggiornata a PETRA IV."
"Ora disponiamo degli strumenti per condurre ricerche che portino a nuovi materiali catalizzatori per la produzione di ammoniaca che possono essere utilizzati meglio per integrarsi con l'idrogeno prodotto mediante elettrolisi per la transizione verde dell'industria chimica", afferma Anders Nilsson.
"È stimolante condurre ricerche su un argomento così legato a una storia di successo scientifico che ha aiutato moltissimo l'umanità. Sono ansioso di continuare la ricerca per trovare nuovi catalizzatori che possano ridurre la nostra dipendenza dalle fonti fossili. L'industria chimica da sola rappresenta 8% della CO2 mondiale emissioni", afferma Bernadette Davies, dottoranda in Chimica dei materiali presso l'Università di Stoccolma.
"La prospettiva a lungo termine di effettuare la produzione di ammoniaca attraverso un'alternativa elettrocatalitica alimentata direttamente dall'elettricità solare o eolica è molto allettante, e ora disponiamo di strumenti per assistere scientificamente questo sviluppo", afferma Sergey Koroidov, ricercatore presso l'Università di Stoccolma .
Lo studio è stato condotto in collaborazione con il Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) di Amburgo e l'Università di Montan in Austria. Lo studio ha coinvolto ex dipendenti dell'Università, Chris Goodwin, Peter Amann, Mikhail Shiplin, Jette Mathiesen e Gabriel Rodrigez.
Ulteriori informazioni: Anders Nilsson, Operando sondaggio della chimica della superficie durante il processo Haber-Bosch, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06844-5. www.nature.com/articles/s41586-023-06844-5
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dall'Università di Stoccolma
