Новый катализатор умерит энергоёмкость процесса Габера

Процесс Габера химическая промышленность использует для фиксации атмосферного азота, получая более 160 млн тонн аммиака в год; б?льшая часть этого аммиака конвертируется в сульфат аммония для использования в качестве удобрения.

Изначально процесс Габера эксплуатировал в качестве катализатора сверхдрагоценный осмий. Позже, в 1909 году, под чутким руководством компании BASF благородный металл был заменён на катализатор на основе железа, использование которого требует высоких температур (400–600 ?С) и не менее высоких давлений (20–40 МПа). В результате производство аммиака ежегодно потребляет 1% всей генерируемой на Земле энергии!

Понятно, что с этим надо было что-то делать. Относительным успехом здесь стало открытие того, что применение вместо железных рутениевых катализаторов позволяет намного снизить давление и температуру в реакционной камере. Однако рутений, как и многие благородные металлы, неравнодушен к водороду и быстро им отравляется (водород в виде гидрид-ионов связывается с поверхностью металла, лишая её активности). И вот учёным из Токийского технологического института (Япония) наконец удалось разработать эффективный рутениевый катализатор, способный избежать водородного отравления благодаря своим лигандам.

 

Химики обнаружили, что в данной реакции стабильный электрид [Ca₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(e^-)₄ является эффективным электрон-донорным лигандом, активизирующим диссоциацию тройной связи N—N. Кроме того, способность этого лиганда абсорбировать в своей кристаллической структуре гидрид-ионы (H^–) позволяет избегать значительного водородного отравления центрального металла. По словам учёных, электроны, инкапсулированные в субнанометровые ячейки электрида, могут быть легко замещены гидрид-ионами: это естественное свойство материала, определяемое положительным зарядом ячеек кристаллической решётки.

Несмотря на очень высокую стоимость рутения по сравнению с используемым вот уже более 100 лет железным катализатором, его способность работать при значительно более низкой температуре и давлении позволит, по мнению авторов работы, быстро окупить все накладные расходы за счёт внушительной экономии энергии.

Все подробности исследования представлены в статье, опубликованной в журнале Nature Chemistry.

Подготовлено по материалам Chemistry World.