O echipă de cercetare de la Școala de Chimie a Universității din Nottingham, în colaborare cu Universitatea din Birmingham și Universitatea Cardiff, a creat un catalizator pentru generarea de hidrogen din amoniac care devine mai activ în timp. Noul material constă din clustere de ruteniu (Ru) nanodimensionate ancorate pe carbon grafitizat.
Aceste nanoclustere Ru reacționează cu moleculele de amoniac, catalizând divizarea amoniacului în hidrogen și azot. O lucrare cu acces deschis despre această cercetare este publicată în revista RSC Chemical Science .
Cu densitatea sa mare de energie volumetrică, amoniacul este promițător ca purtător de energie cu zero carbon, care ar putea conduce la o nouă economie durabilă în viitorul apropiat. Găsirea unor metode rapide și eficiente din punct de vedere energetic pentru a sparge amoniacul în hidrogen (H₂) și azot (N₂) la cerere este esențială. Deși dezactivarea catalizatorului este obișnuită, este rar ca un catalizator să devină mai activ odată cu utilizare. Prin urmare, înțelegerea mecanismelor la nivel atomic din spatele schimbărilor în activitatea catalizatorului este critică pentru proiectarea următoarei generații de catalizatori eterogene.
Catalizatorii tradiționali constau din nanoparticule, majoritatea atomilor fiind inaccesibili pentru reacții. Abordarea noastră începe cu atomi individuali care se autoasamblează în grupuri de dimensiunea dorită. Prin urmare, putem opri creșterea clusterelor atunci când amprentele lor ajung la 2-3 nm-pătrat, asigurându-ne că majoritatea atomilor rămân la suprafață și disponibili pentru reacții chimice. În această lucrare, am valorificat această abordare pentru a crește nanoclusterele de ruteniu din atomi direct într-un suport de carbon.
— Dr. Jesum Alves Fernandes, co-lider al echipei de cercetare
Cercetătorii au folosit pulverizarea cu magnetron pentru a genera un flux de atomi de metal pentru construirea catalizatorului. Această tehnică fără solvenți și reactivi permite fabricarea unui catalizator curat, foarte activ. Prin maximizarea suprafeței catalizatorului, această metodă asigură cea mai eficientă utilizare a elementelor rare precum ruteniul (Ru).
Am fost surprinși să descoperim că activitatea nanoclusterelor Ru asupra carbonului crește de fapt în timp, ceea ce sfidează procesele de dezactivare care au loc de obicei pentru catalizatori în timpul utilizării lor. Această descoperire interesantă nu poate fi explicată prin metode tradiționale de analiză, așa că am dezvoltat o abordare de microscopie pentru a număra atomii din fiecare nanocluster al catalizatorului prin diferite etape ale reacției folosind microscopia electronică cu transmisie de scanare. Am dezvăluit o serie de transformări subtile, dar semnificative la nivel atomic.
— Dr. Yifan Chen, autor principal
Cercetătorii au descoperit că atomii de ruteniu inițial dezordonați pe suprafața carbonului se rearanjează în nano-piramide trunchiate cu margini trepte. Nano-piramidele demonstrează o stabilitate remarcabilă timp de câteva ore în timpul reacției la temperaturi ridicate. Ele evoluează continuu pentru a maximiza densitatea siturilor active, sporind astfel producția de hidrogen din amoniac. Acest comportament explică caracteristicile unice de auto-îmbunătățire ale catalizatorului.
Invenția marchează un progres major în înțelegerea mecanismelor atomistice ale catalizei eterogene pentru producerea de hidrogen. Acesta deschide calea pentru dezvoltarea catalizatorilor foarte activi, stabili care utilizează metale rare în mod durabil, controlând precis structurile catalizatorului la scară nanometrică.
Lucrarea a fost finanțată de Programul EPSRC Grant „Atomi de metal pe suprafețe și interfețe (MASI) pentru un viitor durabil”, care urmează să dezvolte materiale catalizatoare pentru conversia a trei molecule cheie – dioxid de carbon, hidrogen și amoniac – de importanță crucială pentru economie. si mediu. Catalizatorii MASI sunt fabricați într-un mod eficient din punct de vedere atomic, pentru a asigura utilizarea durabilă a elementelor chimice fără a epuiza rezervele de elemente rare și a face majoritatea elementelor abundente ale pământului, cum ar fi carbonul și metalele de bază.
Resurse
- Yifan Chen şi colab. (2025) Evoluția nanoclusterelor amorfe de ruteniu în nanopiramide trunchiate în trepte pe suprafețe grafitice stimulează producția de hidrogen din amoniac, Chem. Sci.
