Rompere le barriere: sintesi di ammoniaca a bassa temperatura con catalizzatori a base di ferro e idruro di bario
Il processo Haber-Bosch (HB) è una delle reazioni chimiche industriali più importanti. Combina i gas di azoto e idrogeno in presenza di un catalizzatore a base di ferro ad alte temperature e pressioni per produrre fertilizzanti all’ammoniaca che aiutano a fornire cibo a oltre cinque miliardi di persone.
Also Read:
Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno cercato di abbassare la temperatura reattiva del processo HB per aumentare la resa di ammoniaca riducendo il consumo di energia. A tal fine, hanno recentemente sviluppato nuovi catalizzatori basati su altri metalli di transizione, come il rutenio, il cobalto e il nichel, che mostrano un’attività catalitica molto più elevata rispetto al ferro.
Tuttavia, questi catalizzatori adsorbono preferenzialmente atomi di idrogeno sulla loro superficie a basse temperature di 100-150 °C, riducendo l’adsorbimento dell’azoto e quindi ostacolando la produzione di ammoniaca. Questo fenomeno, noto come intossicazione da idrogeno, rappresenta un ostacolo per il processo HB a bassa temperatura.
Also Read:
In questa luce, i ricercatori guidati dal professor Michikazu Hara del Laboratorio per i materiali e le strutture presso il Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), si sono concentrati nuovamente sui catalizzatori a base di ferro e li hanno modificati per produrre ammoniaca a 100°C. Il loro lavoro è pronto per essere pubblicato nell’American Chemical Society.
Il professor Hara spiega la motivazione alla base della ricerca. “L’intossicazione da idrogeno non è forte per i catalizzatori a base di ferro. Pertanto, possono essere utilizzati per il processo HB a bassa temperatura, ma solo se combinati con un promotore appropriato che aumenta la loro attività catalitica”.
Also Read:
In questo lavoro, i ricercatori hanno preparato nanoparticelle di ferro (Fe) su particelle di idruro di calcio (CaH2), con una miscela di ossido di bario (BaO) e idruro di bario (BaH2) depositata su di esse.
Un insieme di esperimenti ha rivelato che le nanoparticelle di ferro interagiscono fortemente con gli ioni di idruro di entrambi gli idruri. Di conseguenza, gli atomi di idrogeno si spostano dagli idruri alle nanoparticelle e si desorbiscono come gas di idrogeno, lasciando gli elettroni. Gli idruri donano questi elettroni alle nanoparticelle di ferro. Ciò facilita la rottura del gas di azoto in atomi, migliorando l’attività catalitica per la produzione di ammoniaca anche a basse temperature.
Also Read:
Il catalizzatore BaH2-BaO/Fe/CaH2 ha mostrato una frequenza di turnover di 0,23 s-1 a 100°C e 12,3 s-1 a 300°C con una pressione moderata di 0,9 MPa. Questi valori, di ordini di grandezza superiori a quelli per catalizzatori basati su altri metalli di transizione, derivano dalla capacità del ferro di impedire l’intossicazione da idrogeno desorbendo gli atomi di idrogeno adsorbiti come gas di idrogeno a basse temperature.
Discutendo del futuro potenziale del loro lavoro, il professor Hara osserva: “Il catalizzatore BaH2-BaO/Fe/CaH2 facilita il processo HB a bassa temperatura, che consuma meno energia. Pertanto, può ridurre l’uso di combustibili fossili e potenzialmente abbassare le emissioni di carbonio globali. Inoltre, il ferro è abbondante ed economico, il che rende il processo HB più sostenibile”.
Also Read:
In Other News Around the World: