ประเทศโตเกียว

กระบวนการของ Haber-Bosch ซึ่งใช้โดยทั่วไปในการสังเคราะห์แอมโมเนีย (NH 3 ) ซึ่งเป็นรากฐานของปุ๋ยไนโตรเจนสังเคราะห์ โดยการผสมไฮโดรเจน (H 2 ) และไนโตรเจน (N 2 ) เหนือตัวเร่งปฏิกิริยาที่ความดันและอุณหภูมิสูง เป็นหนึ่งใน การค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่สุดที่ช่วยปรับปรุงผลผลิตพืชผลและเพิ่มการผลิตอาหารทั่วโลก อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ต้องการปัจจัยการผลิตพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิลสูง เนื่องจากต้องใช้อุณหภูมิและความดันสูง ไฮโดรเจนที่ใช้สำหรับกระบวนการนี้ผลิตจากก๊าซธรรมชาติ (มีเธนเป็นหลัก) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนนี้ใช้พลังงานมากและมาพร้อมกับการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนมหาศาล เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างๆ ได้รับการพัฒนาเพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินต่อไปภายใต้สภาวะที่เบาลงโดยใช้ไฮโดรเจนที่เกิดจากการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำผ่านพลังงานหมุนเวียน ในหมู่พวกเขาคือตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ไนไตรด์ซึ่งมีอนุภาคนาโนของโลหะที่แอคทีฟ เช่น นิกเกิลและโคบอลต์ (Ni, Co) ที่บรรจุบนแลนทานัมไนไตรด์ (LaN) รองรับ ในตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้ ทั้งตัวรองรับและโลหะ แอคทีฟมีส่วนร่วมในการผลิต NH 3 โลหะที่ใช้งานแยก H 2ในขณะที่การสนับสนุน LaN มีตำแหน่งว่างของไนโตรเจนและอะตอมของไนโตรเจนในโครงสร้างผลึกที่ดูดซับและกระตุ้นไนโตรเจน (N 2 ) ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้มีราคาไม่แพง (เนื่องจากหลีกเลี่ยงการใช้รูทีเนียมซึ่งมีราคาแพง) ประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาจะลดลงเมื่อมีความชื้น โดยส่วนรองรับ LaN จะเปลี่ยนรูปเป็นแลนทานัมไฮดรอกไซด์ (La(OH) 3 ) ขณะนี้ ในการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในAngewandte Chemieนักวิจัยจากจีนและญี่ปุ่นนำโดยศาสตราจารย์ฮิเดโอะ โฮโซโนะ จากสถาบันเทคโนโลยี โตเกียว (Tokyo Tech) ประเทศญี่ปุ่น ได้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เสถียรทางเคมีซึ่งมีความเสถียรในที่ที่มีความชื้น ได้รับแรงบันดาลใจจากสารประกอบของธาตุหายากที่เสถียรซึ่งมีพันธะเคมีระหว่างโลหะธาตุหายาก (ในกรณีนี้คือ La) กับโลหะ พวกมันได้รวมอะตอมของอะลูมิเนียมไว้ในโครงสร้าง LaN และสังเคราะห์สารรองรับ La 3 AlN ที่เสถียรทางเคมีที่มีพันธะ La - Al ที่ป้องกันไม่ให้อะตอมของแลนทานัมทำปฏิกิริยากับความชื้น การสนับสนุน La-Al-N พร้อมกับโลหะที่ใช้งานอยู่ เช่น นิกเกิลและโคบอลต์ (Ni, Co) สามารถผลิต NH 3ในอัตราที่ใกล้เคียงกับตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะไนไตรด์ทั่วไป และสามารถรักษาการผลิตที่เสถียรเมื่อป้อนด้วยไนโตรเจน ความชื้นที่มีแก๊ส "ตัวเร่งปฏิกิริยา Ni- หรือ Co-loaded La-Al-N ไม่มีการสลายตัวที่ชัดเจนหลังจากสัมผัสกับความชื้น 3.5%" Prof. Hosono กล่าว ในขณะที่อะตอมของ Al ทำให้การสนับสนุนมีความเสถียร ข้อบกพร่องของไนโตรเจนแลตทิซและไนโตรเจนที่มีอยู่ในตัวรองรับสารเจือทำให้สามารถสังเคราะห์แอมโมเนียในลักษณะที่คล้ายคลึงกับตัวเร่งปฏิกิริยาไนไตรด์โลหะที่ใช้งานทั่วไป/โลหะหายาก "แลตทิซไนโตรเจนและตำแหน่งว่างของไนโตรเจนใน La-Al-N มีบทบาทสำคัญในการดูดซับ N 2โดยการสนับสนุน La-Al-N และ Ni โลหะที่ใช้งานมีหน้าที่รับผิดชอบในการดูดซับและกระตุ้น N 2และ H 2 ตามลำดับ ศ.โฮโซโนะอธิบาย กระบวนการของ Haber-Bosch เป็นปฏิกิริยาเคมีที่ใช้พลังงานมาก ซึ่งคิดเป็นประมาณ 1 % ของการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ต่อปีทั่วโลก ในขณะที่แนวทางทางเลือกอื่นที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการผลิต NH 3อยู่ระหว่างการตรวจสอบ การแนะนำตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่แพงอาจให้ประโยชน์ในทันทีโดยอนุญาตให้กระบวนการทำงานภายใต้สภาวะที่เบากว่า