Çekirdek – Kabuk Nanomalzeme ile Elektrokimyasal Amonyak Sentezi Geliştirildi
Fotoğraf: Katalitik malzeme, vanadyum nitrür kabuğu içinde vanadyum oksit çekirdeğine sahiptir
Çin’deki araştırmacılar, nitrojeni amonyağa indirgemek için vanadyum nitrür kabuğu içinde vanadyum oksit çekirdeklerinden oluşan elektrokatalitik nanomalzemeler geliştirdiler. Ekip, sürecin verimliliğini ve verimini optimize etmek için nanomalzemelerin çekirdek kabuk yapısını ayarlayabileceklerini tespit ettiler.
En çok üretilen inorganik kimyasallardan biri olan amonyak, tarım (gübreler için), kimyasal sentez ve daha yakın zamanda hidrojen enerji depolama ortamı olarak önemli bir rol oynar. Bosch prosesinden farklı olarak, elektrokimyasal nitrojen azaltımı, ortam koşullarında amonyak sentezleyebilir ve bu nedenle sürdürülebilir bir alternatif olarak araştırılmaktadır.
Nitrojeni elektrokimyasal olarak amonyağa indirgemek için bir elektrokatalizör gereklidir. Elektrokatalizör, güçlü N≡N üçlü bağının üstesinden gelmek için nitrojen adsorpsiyonunu ve aktivasyonunu kolaylaştırır. Aynı zamanda, dinitrojeni amonyağa dönüştürmek için altı proton-bağlı elektron transfer adımının reaksiyon kinetiğini de geliştirir, ancak mevcut bir darboğaz, nitrojen indirgeme reaksiyonu için hem yüksek aktiviteye hem de seçiciliğe sahip bir elektrokatalizör meydana getirir.
Aktivite ve seçiciliği dengelemeye çalışan Chongqing Üniversitesi’nden Yu Wang ve ekibi, vanadyum oksit çekirdekli ve vanadyum nitrür kabuklu bir çekirdek-kabuk nanomalzeme elektrokatalizörü yaptılar. Araştırmacılar, her iki malzemenin de özelliklerinden yararlanmaya çalıştılar; metal nitratlar nitrür sahalarında kolayca nitrojen azaltma reaksiyonunu başlatabilir ve daha sonra kataliz için amonyak salınımı sağlamak üzere bitişik elektronik oksijen atomlarıyla etkinleştirilebilir. Yüzey oksijen atomları elektrokimyasal ortamda stabil olmadığından, Wang “oksit çekirdek tasarımı malzemenin uzun süre devre dışı bırakılmamasını sağlar, ” dedi.
Wang’ın ekibinin nanomalzemesi, bir asit elektrolitte amonyak oluşturmak için nitrojeni elektrokatalitik olarak azaltmada mükemmel sonuç gösterdi. Araştırmacılar, 59.7 mg/saate kadar (katalizörün miligramı başına) amonyak verimi ve %34,9’a varan faradaik verim elde ettiler. Ek olarak, elektrokatalizörler, hidrazin oluşumu üzerinde amonyak üretimi için oldukça seçici olduklarını kanıtlamıştır ve herhangi bir yapısal değişiklik olmaksızın 50 saatlik elektrokatalizden sonra aktif kalmıştır.
Nitrür kabuğunun kalınlığının optimize edilmesi, özellikle metalin d-bant merkezi (katalizör ve adsorbat arasındaki etkileşimi açıklar) ile ilgili olarak, elektrokatalizör tasarımının önemli bir yönüydü. En ince nitrür kabuk sistemi en yüksek d-bandına ve dolayısıyla adsorbat olarak dinitrojen ile en güçlü etkileşime sahip olmasına rağmen, değerlik ve iletim bantları arasındaki önemli boşluk yük transferini sınırlar ve katalitik performansını engeller. Optimal, orta kalınlıkta nitrür kabuklu elektrokatalizör, etkili elektron transferi ve dolayısıyla elektrokatalitik performans için değerlik ve iletim bantları arasındaki enerji seviyesi farkını en aza indirirken, d-bant merkezini yüksek tutarak bir denge kurar.
Hindistan’daki Mohali Nano Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden Ramendra Sundra Dey, “Bu çalışma endüstriyel amonyak faradaik verimlilik sınırına yakın” diyor. Dey, bu çekirdek-kabuk nanomalzemelerinin tasarım ilkelerinin gerçekten de daha yüksek faradaik verimlilikleri hedeflemek için kullanılabileceğini söylüyor.
Ancak Danimarka Teknik Üniversitesindeki Villum Sürdürülebilir Yakıtlar ve Kimyasallar Bilimi Merkezinden Ib Chorkendorff, çalışmaya şüpheyle bakıyor. “Bu doğruysa gerçekten olağanüstü olurdu. Ancak, izotop deneyleri birkaç noktada nicel bir şekilde gerçekleştirilmediği için dinitrojen aktivasyonu için kanıtları yetersiz buluyorum. ”
Wang bu bakış açısına katılıyor ve ekibin N2 aktivasyon mekanizmasını incelemek için IR ve Raman tekniklerinin yanı sıra daha fazla izotop deneyi kullandığını söylüyor. “Gelecekteki çalışmalarımızda N2 aktivasyon mekanizmasının derin bir yorumuna sahip olabileceğimizi umuyoruz.”
Kaynak : chemistryworld.com
