Международная группа исследователей, в состав которой вошел сотрудник Сибирского федерального университета, обнаружила, что наночастицы золота, выращенные на органической матрице, содержащей ионы калия, показывают значительно большую эффективность электрохимического преобразования азота в аммиак, являющийся основой большей части современной промышленности и сельского хозяйства.

Работа опубликована в журнале Journal of Materials Chemistry A в коллекции HOT Papers.

Аммиак — одно из наиболее широко производимых неорганических химических веществ. Большая часть современной промышленности и сельского хозяйства основана на использовании аммиака, который является важным сырьем для производства пластмасс, волокон, красителей, взрывчатых веществ, смол, фармацевтических препаратов и искусственных удобрений. При этом 80 процентов и более производимого аммиака используется для удобрения сельскохозяйственных культур.

В индустриальном масштабе синтез аммиака идет наиболее распространенным путем (процесс Хабера-Боша): смесь азота и водорода пропускается через нагретый катализатор (400–600° С) под высоким давлением (150–350 атмосфер). Однако такой процесс является энергоемким, и на его долю приходится от 1 до 2 процентов мирового годового потребления энергии.

Поэтому крупномасштабное производство аммиака сопровождается высокой себестоимостью. Водород для этого процесса производится из природного газа, что ведет к выделению большого количества CO₂ (не менее 450 миллионов тонн в год), усугубляя парниковый эффект.

В последние годы ученые стали обращать внимание на возможность производства аммиака с помощью электрохимической реакции восстановления азота. Такой процесс может управляться электричеством, получаемым от солнечной и ветровой энергии, и весь процесс преобразования может протекать при нормальных условиях.

Множество катализаторов было исследовано за последние несколько лет, но их желаемая эффективность все еще находится на начальной стадии, поскольку сложно одновременно достичь высокого выхода аммиака и выхода по току.

«Нашим коллегам из Китая удалось экспериментально приготовить катализаторы на основе ультрадисперсных наночастиц золота, встроенных в органическую матрицу, содержащую ионы калия. Эти катализаторы показали высокую стабильность и одновременную эффективность выхода аммиака и выхода по току. Для объяснения механизма работы катализатора мы создали модели и провели ряд расчетов.

Обнаружилось, что присутствие катионов калия создает двойной эффект. С одной стороны, предотвращает приближение H3O⁺ к поверхности золота за счет отталкивания от положительно заряженной координационной сферы комплексов K⁺, что приводит к подавлению конкурирующей нежелательной реакции выделения водорода. И с другой стороны, одновременно с этим переносимый заряд усиливает взаимодействие между связанной молекулой азота и поверхностью золота, что приводит к снижению лимитирующей стадии», — рассказал соавтор работы, старший научный сотрудник лаборатории нелинейной оптики и спектроскопии СФУ Артем Куклин.