Новости химической науки > Энергозатраты на процесс Габера-Боша могут быть понижены

Исследователи из Японии заявляют, что новый тип рутениевого катализатора сможет понизить затраты энергии на производство аммиака.

Промышленный способ фиксации атмосферного азота – процесс Габера-Боша кажется очень простым – каталитическое взаимодействие водорода с азотом, с помощью процесса Габера-Боша ежегодно производится около 160 миллионов тонн аммиака. Синтез аммиака осуществляется на гетерогенном катализаторе, и, тем не менее, протекает при высоких температурах (400–600°C) и давлении (20–40МПа), в результате чего на производство аммиака ежегодно расходуется около 1% всей энергии, производимой в масштабах человечества.

Связанные с рутением лиганды могут абсорбировать гидрид-ионы, предотвращая отравление катализатора. (Рисунок из Nat. Chem., 2012, DOI: 10.1038/nchem.1476)

Проведенные ранее исследования показали, что катализатором для синтеза Габера-Боша может являться рутений, однако проблемой такого катализатора является его отравление водородом – это отравление происходит, когда атомы водорода связываются с поверхностью рутения. Исследователи из группы Мичикадзу Хара (Michikazu Hara) и Хидео Хосоно (Hideo Hosono) из Технологического Института Токио разработали эффективный катализатор, который может противостоять такому отравлению.

То, что новый катализатор может противостоять отравлению, обеспечивается правильно подобным строением лигандов. Исследователи обнаружили, что устойчивый неорганический электрид [Ca₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(e-)₄ представляет собой эффективный электродонорный лиганд для рутения, катализирующего реакцию между азотом и водородом – они способствуют диссоциации тройной связи N-N. Помимо этого способность электрида абсорбировать ионы водорода в свою кристаллическую структуру позволяет существенно понизить эффект отравления катализатора водородом.

Хосоно отмечает, что рутений, стабилизированный электридными лигандами, представляет собой отличный катализатор синтеза аммиака, каталитическая активность которого на порядок выше известных в настоящее время рутенийсодержащих катализаторов процесса Габера-Боша; водород не отравляет новый катализатор даже при высоком парциальном давлении.

Электроны, инкапсулированные в субнанометровые клетки [Ca₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(e-)₄ при нагревании в присутствии водорода могут быть без проблем замещены на гидрид-ионы. По словам Хосонео, такая возможность обеспечивается положительным зарядом на стенках клеток.

Хотя катализаторы на основе рутения, естественно дороже железосодержащих, катализируемая новым комплексом реакция Габера-Боша может протекать при меньших температурах и давлении – в более энергетически эффективных условиях по сравнению с железосодержащими катализаторами, что может понизить затраты на фиксацию атмосферного азота. Это обстоятельство позволяет японским исследователям надеяться, что новый катализатор может быть коммерциализирован – рутенийсодержащие катализаторы уже используются для промышленного получения ряда соединений. В дальнейших планах исследователей стоит изучение комплексов этого лиганда с другими металлами.

Источник: Nat. Chem., 2012, DOI: 10.1038/nchem.1476

метки статьи: #кинетика и катализ, #неорганическая химия, #новые материалы, #химическая технология