Катализатор нового поколения: ученые ускоряют производство водорода из аммиака

Ученые создали катализатор для получения водорода из аммиака, который со временем становится более активным, а подсчет атомов выявил изменения, повышающие эффективность катализатора.

Исследовательская группа из химического факультета Ноттингемского университета в сотрудничестве с Бирмингемским университетом и Университетом Кардиффа разработала новый материал, состоящий из наноразмерных кластеров рутения (Ru), закрепленных на графитированном углероде. Эти нанокластеры Ru вступают в реакцию с молекулами аммиака, катализируя расщепление аммиака на водород и азот, что является важным шагом на пути к экологически чистому производству водорода.

Новаторское исследование опубликовано в Chemical Science, флагманском журнале Королевского химического общества.

Благодаря высокой объемной плотности энергии аммиак может стать энергоносителем с нулевым содержанием углерода, который в ближайшем будущем станет движущей силой новой устойчивой экономики. Поиск быстрых и энергоэффективных методов расщепления аммиака на водород (H₂) и азот (N₂) по требованию является крайне важным. Хотя деактивация катализатора — обычное дело, редко случается, что катализатор становится более активным по мере использования. Поэтому понимание механизмов на атомном уровне, лежащих в основе изменения активности катализатора, имеет решающее значение для разработки следующего поколения гетерогенных катализаторов.

Доктор Джесум Алвес Фернандеш, доцент химического факультета Ноттингемского университета и один из руководителей исследовательской группы, пояснил:

Традиционные катализаторы состоят из наночастиц, большинство атомов которых недоступны для реакций. Наш подход основан на использовании отдельных атомов, которые самособираются в кластеры нужного размера.

Таким образом, мы можем остановить рост кластеров, когда их площадь достигает 2-3 нм в квадрате, гарантируя, что большинство атомов остается на поверхности и доступно для химических реакций.

В данной работе мы использовали этот подход для выращивания нанокластеров рутения из атомов непосредственно в углеродной основе.

Исследователи использовали магнетронное распыление для создания потока атомов металла для создания катализатора. Этот метод, не требующий растворителей и реагентов, позволяет получить чистый и высокоактивный катализатор. Максимально увеличивая площадь поверхности катализатора, этот метод обеспечивает наиболее эффективное использование таких редких элементов, как рутений (Ru).

Доктор Ифань Чен, научный сотрудник химического факультета Ноттингемского университета, сказал:

Мы были удивлены, обнаружив, что активность нанокластеров Ru на углероде фактически увеличивается с течением времени, что противоречит процессам деактивации, обычно происходящим с катализаторами во время их использования.

Этот интересный результат невозможно объяснить с помощью традиционных методов анализа, поэтому мы разработали микроскопический подход для подсчета атомов в каждом нанокластере катализатора на разных стадиях реакции с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии.

Мы обнаружили ряд тонких, но значительных преобразований на атомном уровне.

Исследователи обнаружили, что атомы рутения, изначально неупорядоченные на поверхности углерода, перестраиваются в усеченные нанопирамиды со ступенчатыми краями. Нанопирамиды демонстрируют удивительную стабильность в течение нескольких часов в ходе реакции при высоких температурах. Они постоянно эволюционируют, увеличивая плотность активных участков, тем самым повышая производство водорода из аммиака. Такое поведение объясняет уникальные самосовершенствующиеся характеристики катализатора.

Профессор Андрей Хлобыстов, Химический факультет Ноттингемского университета, сказал:

Это открытие задает новое направление в разработке катализаторов, демонстрируя стабильную, самосовершенствующуюся систему для получения водорода из аммиака в качестве зеленого источника энергии.

Мы ожидаем, что этот прорыв внесет значительный вклад в развитие технологий устойчивой энергетики, поддерживая переход к безуглеродному будущему.

Это изобретение знаменует собой значительный прогресс в понимании атомистических механизмов гетерогенного катализа для производства водорода. Оно открывает путь к разработке высокоактивных, стабильных катализаторов, которые устойчиво используют редкие металлы путем точного управления структурами катализатора на наноуровне.

Ранее ученые открыли новый способ производства чистого водорода.

На фото: модель нанокластерного катализатора с атомами рутения зеленого и белого цвета (белые атомы выделяют активный центр), расположенными в виде сплюснутой пирамиды на углеродной основе (черные атомы). На заднем плане видна система магнетронного распыления, используемая для получения нанокластеров. Источник: University of Nottingham

09.01.2025