Китайские ученые создали ультрафиолетовый катализатор на основе гидрида лития для эффективного производства аммиака

Пекин, 17 янв - ИА Neftegaz.RU. Китайские ученые анонсировали новое исследование при работе с гидридом лития (LiH) для производства аммиака.
Результаты очередного исследования опубликованы в журнале Nature Chemistry.

LiH и фотолиз

Китайские ученые разработали катализатор на основе гидрида лития (LiH), который при воздействии ультрафиолетового излучения способен разбивать молекулы азота и водорода, а также превращать их в аммиак при нормальных температурах и давлении.
Это открытие может существенно снизить расходы на производство аммиака.
При введении азота и водорода вместе в реакционный сосуд с гидридом лития, при облучении ультрафиолетом образуются молекулы аммиака при комнатных температурах и давлении.
Это открывает возможность использовать гидрид лития для захвата азота и в качестве основы для систем хранения водорода в виде молекул аммиака.
До сих пор производство аммиака осуществлялось с помощью реакции, открытой немецкими химиками Ф. Габером и К. Бошем более 100 лет назад.
Эта реакция требует сжатия и нагревания смеси азота и водорода до 450-500℃, а затем пропуска через катализатор на основе железа.

Несмотря на исследования, ученым ранее не удавалось найти альтернативные методы, превосходящие эффективность реакции Габера-Боша.
Группа китайских химиков под руководством профессора Института химической физики Китайской академии наук (Далянь) Ч. Пина выяснила, что созданный ими катализатор на основе гидрида лития обладает необходимыми свойствами.

Подробности процесса

Гидрид лития подвергается фотолизу при ультрафиолетовом облучении с образованием долгоживущих генерируемых фотонами электронов, находящихся в водородных вакансиях, известных как F-центры.
Если по - простому, то под воздействием ультрафиолетового излучения этот материал приобретает конфигурацию электронных оболочек, при которой в молекулах образуются F-центры.
Фотодиссоциация (или фотолиз) - химическая реакция, при которой молекулы химических соединений разлагаются под действием фотонов.
Если по-простому, то это распад молекул вещества под воздействием света.
Для фотолиза важны:

• энергия активации - свойство участвующей в процессе фотолиза молекулы;
• степень превышение энергии взаимодействующего фотона над энергией активации.

F-центры представляют собой зоны с избыточным отрицательным зарядом, которые активно взаимодействуют с другими атомами и ионами, и в молекулах гидрида лития обладают достаточной силой для расщепления молекул азота и их соединения с молекулами водорода.
Дегидрирование на основе фотонов и регидрирование в темноте с использованием LiH может быть обратимо осуществлено при комнатной температуре, которая примерно на 600^оК (326,85^оС) ниже, чем соответствующий термический процесс Габера-Боша.
Активированный светом LiH расщепляет тройную связь N≡ N с образованием связи N–H в мягких условиях.
Одновременная подача смеси N₂/H₂ при низком парциальном давлении H₂ приводит к фотокаталитическому образованию аммиака при условиях, близких к условиям окружающей среды.
Высокая скорость реакции при комнатной температуре и давлении сильно отличают разработанный катализатор от классической методики Габера-Боша и других методов синтеза аммиака.
Это открывает новые перспективы для производства аммиака и использования его для хранения водорода в более безопасной форме.

LiH и Иридий

Ранее китайские ученые выявили способность Иридия (Ir) при соединении с гидридом лития (LiH) катализировать образование аммиака со значительно увеличенными скоростями реакции.
Элементы из благородных металлов нередко используются в качестве катализатора для многих химических процессов.
В процессах азотфиксации их используют редко, за исключением рутения и осмия.
Азотфиксация - это процесс извлечения азота из его молекулярной формы (N₂) в атмосфере и превращения в соединения азота, используемые в других процессах.
Иридий каталитически неактивен при синтезе аммиака из-за его слабой адсорбции азота и сильной конкурентной адсорбции H по сравнению с N, что сильно ингибирует активацию молекул N₂.
Дерзкие китайцы утверждают, что каталитические характеристики композита LiH-Ir могут быть дополнительно улучшены путем диспергирования на подложке MgO с высокой удельной поверхностью:

• при 400°C и 10 бар активность LiH-Ir катализатора на основе MgO (LiH-Ir/MgO) увеличивается примерно в 100 раз по сравнению с объемным композитом LiH-Ir и металлическим катализатором на основе MgO (Ir/MgO);
  
• фаза образования комплексной гидридной фазы лития-иридия может быть ответственна за активацию и гидрирование N₂ до NH₃.

Автор: А. Шевченко