Исследователям из Токийского столичного университета впервые удалось раскрыть детальный механизм работы катализатора на основе оксида меди в процессе электрохимического восстановления нитратов. Это открытие имеет важное значение для промышленности, поскольку классический процесс Габера-Боша, используемый сегодня, является крайне энергозатратным и ответственен за почти 1,5% глобальных выбросов углекислого газа. Новый метод позволяет получать аммиак при комнатной температуре и обычном давлении, что сулит колоссальную экономию энергии и снижение экологической нагрузки.
Группа под руководством профессора Фумиаки Амано применила передовые методы оперативного рентгеновского поглощения, чтобы в реальном времени наблюдать за трансформациями катализатора в ходе химической реакции. Ученые закрепили наночастицы оксида меди на углеродных волокнах и, меняя напряжение, отслеживали изменения в их структуре и электронном состоянии. Исследование выявило двухстадийный процесс. На первом этапе при положительном напряжении нитрат-ионы «пассивируют» поверхность катализатора, адсорбируясь на ней и препятствуя ее преобразованию, при этом образуются нитрит-ионы. Однако ключевое открытие было сделано при повышении отрицательного напряжения.
Именно в этот момент ученые зафиксировали резкий скачок в образовании целевого аммиака. Этот скачок оказался напрямую связан с появлением в системе частиц металлической меди, о чем свидетельствовало возникновение характерных связей медь-медь. Было установлено, что именно металлическая медь, а не ее оксид, играет решающую роль на финальной стадии, катализируя присоединение водорода к нитрит-ионам и приводя к синтезу аммиака. Таким образом, работа опровергает прежние предположения и точно идентифицирует активный центр катализатора в этой перспективной реакции.
Полученные результаты дают четкое понимание того, как пассивация поверхности влияет на эффективность катализатора, и насколько критичным является контроль над образованием металлической меди для высокой производительности всего процесса. Это знание открывает широкие возможности для целенаправленной оптимизации существующих катализаторов и разработки совершенно новых высокоэффективных материалов для зеленой химии будущего.
Ранее Наука Mail рассказала, что в России разработали технологию производства ядерного топлива нового типа.
