Sử dụng rutheni làm chất xúc tác tổng hợp amoniac

Nitơ là chất dinh dưỡng quan trọng đối với thực vật, mặc dù có mặt trong 80% không khí trên bề mặt hành tinh, nhưng nitơ tự nhiên dạng khí, thực vật không thể hấp thụ để sử dụng.

Trong canh tác nông nghiệp, phân bón nitơ, sản xuất bằng phương pháp hóa học được sử dụng để thúc đẩy sự phát triển của cây trồng. Trong quy trình sản xuất các loại phân bón nitơ, quá trình tổng hợp amoniac cần có chất xúc tác nhằm tăng tốc độ phản ứng hóa học giữa nitơ và hydro.

Phương pháp thông thường tổng hợp amoniac sử dụng áp suất cao làm xúc tác cho phản ứng hóa học cho phép sản xuất hàng loạt phân bón thực vật. 

Mặc dù quy mô sản xuất lớn và hiệu quả cao, quy trình này đòi hỏi nhiệt độ cao khoảng từ 400 - 500 độ C. Để đạt được nhiệt độ này, quy trình sản xuất đòi hỏi chi phí khá lớn.

Trong một công trình nghiên cứu do Viện Công nghệ Tokyo dẫn đầu, được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials, các nhà khoa học Nhật Bản đề xuất sử dụng rutheni – nguyên tố kim loại chuyển tiếp hiếm trong nhóm platin làm chất xúc tác cho quá trình tổng hợp amoniac do kim loạt này có thể hoạt động trong điều kiện ít khắc nghiệt hơn so với những chất xúc tác truyền thống trên cơ sở sắt.

Điểm bắt buộc của phản ứng là các phân tử nitơ phải bám lên bề mặt rutheni trước khi phản ứng với các phân tử hydro và tạo thành amoniac.

Trong trường hợp sử dụng chất xúc tác mới với nhiệt độ không cao, hydro có xu hướng bám vào bề mặt ruthenium, phản ứng hóa học này được gọi là “ngộ độc” hydro và cản trở quá trình sản xuất amoniac. Để biến rutheni thành chất xúc tác khả thi cho tổng hợp amoniac, các nhà khoa học phải loại trừ sự ngộ độc hydro.

Các nhà khoa học Tokyo Tech, trong thử nghiệm phát hiện được một số vật liệu, có thể thúc đẩy hoạt động xúc tác của rutheni, trong đó có nhóm vật liệu hydrua lanthanide.

Masaaki Kitano, phó giáo sư, tiến sĩ hóa học thuộc Tokyo Tech cho biết: “Hiệu suất xúc tác nâng cao được thực hiện nhờ 2 đặc tính độc đáo của vật liệu hỗ trợ chất xúc tác này.

Đầu tiên là các vật liệu hỗ trợ nhả electron, dẫn hướng phân tách nitơ trên bề mặt chất xúc tác. Thứ hai, những điện tử hỗ trợ kết hợp với các phân tử hydro, tạo ra các ion hydrua, nhanh chóng phản ứng với nitơ tạo thành amoniac mà không cần hydro bám dính vào rutheni, ngăn ngừa “ngộ độc” hydro.

Trên lý thuyết, tính linh động của ion hydrua ảnh hưởng đến quá trình sản xuất amoniac, nhóm nhà khoa học nghiên cứu sử dụng các oxyhydrid của lanthanide như một vật liệu hỗ trợ tiềm năng cho chất xúc tác mới, thúc đẩy mối liên hệ giữa tính linh động của ion hydrua và quy trình tổng hợp amoniac.

Những thí nghiệm cho thấy, mặc dù độ dẫn điện của ion hyđrua "số lượng lớn" ít ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp nhưng tính linh động "cục bộ" của các ion hyđrua rất quan trọng do có khả năng chống ngộ độc hydro trên rutheni.

Ngoài ra, lantan oxyhydrid yêu cầu nhiệt độ kích hoạt quá trình tổng hợp amoniac thấp hơn so với những vật liệu hỗ trợ khác được thử nghiệm đồng thời hiển thị hoạt tính xúc tác cao hơn.

Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy rằng, oxy bình ổn hơn trong khuôn khổ oxyhydride và các ion hydrua từ quá trình nitrid hóa - phản ứng hóa học biến lantan oxyhydride thành lantan nitride, vô hiệu hóa vật liệu hỗ trợ, cản trở hoạt động xúc tác và quy trình tổng hợp amoniac.

Quy trình sản xuất Aminiac "Haber-Bosch".