Новости химической науки > Грядет новый катализатор для синтеза аммиака?

Международная группа исследователей разработала растворимый железосодержащий катализатор для процесса Габера-Боша, новый катализатор может увеличить эффективность синтеза аммиака, будучи лишенным недостатков, характерных для гетерогенных катализаторов.

Процесс Габера-Боша – фиксация атмосферного азот аза счет его взаимодействия с водородом над катализатором – является основным промышленным методом получения аммиака для удобрений и дальнейшей промышленной переработки. В сове время разработка процесса Габера-Боша привела к революционным изменениям в сельском хозяйстве, значительно увеличив его производительность за счет применения минеральных удобрений. Более глубокое понимание процессов, в которых участвует ключевой компонент Боша-Габера – катализатор – мог бы оптимизировать процесс промышленного связывания атмосферного азота, снизить температуру и давление, необходимые для взаимодействия азота с водородом.

Катализаторами процесса Габера-Боша могут быть осмий, уран, рутений и кобальтово-молибденовый сплав, однако, самым эффективным и дешевым является железо, которое вот уже десятилетиями используется в промышленном синтезе аммиака. Наиболее часто в промышленности применяется разработанный еще век назад катализатор на основе железа, легированного калием. Предполагается, что растворимая версия такого катализатора могла бы оказаться еще эффективнее, поскольку скоростьопределяющей стадией синтеза аммиака является диссоциация азота с поверхности гетерогенного катализатора.

Схема промышленного процесса Габера-Боша. (Рисунок: © Wikipedia)

Однако, полученные до настоящего временим растворимые железосодержащие катализаторы продемонстрировали недостаточную эффективность в разрушении тройной связи азот-азот и не могут быть эффективно использованы в промышленных процессах синтеза азота. Исследователи из Университета Рочестера и Института Бионеорганической Химии Макса Планка (Германия) разработали комплекс железа, способный к реакции с молекулярным азотом в присутствии калийсодержащего восстановителя, образуя комплекс, содержащий два нитридных фрагмента, связанных с катионами железа и калия и ядро из смешанных нитридов железа (II) и (III).

Исследователи предполагают, что образование такой структуры в результате взаимодействия железа с азотом обусловлено тем, три атома восстанавливают тройную связь азот-азот в ходе процесс шестиэлектронного восстановления. Образующийся нитридный комплекс реагирует с водородом с образованием аммиака, однако этот процесс не является каталитическим. Тем не менее, исследователи синтезировавшие комплекс, говорят, что более точное изучением механизмов разрыва связи азот-азот и образования связи N-H позволит перейти от стехиометрической активации азота к активации каталитической.

Руководитель исследования, Патрик Холланд (Patrick Holland) отмечает, что информация, полученная при изучении нового координационного соединения, может оказаться полезной для разработки новых типов поверхностей для гетерогенных катализаторов процесса Габера-Боша.

Нилай Хазари (Nilay Hazari) из Йеля высоко оценивает работу коллег, говоря, что химики, включая автора работы – Холланда – вот уже десятилетия предпринимали попытки превратить координированный азот в аммиак. Холланду, наконец, удалось продемонстрировать возможность использования комплекса железа для полного разрушения тройной связи в молекуле азота. Хазари добавляет, что для окончательной модификации процесса Габера-Боша необходимо решить еще одну проблему – реализовать гомогенно-каталитическое получение аммиака из азота.

Источник: Science, 2011, 334, 780 (DOI: 10.1126/science.1211906

метки статьи: #кинетика и катализ, #неорганическая химия, #новые материалы, #реакционноспособные частицы, #химическая технология, #элементоорганическая химия