Lantanit Oksihidrit Destekli Rutenyum ile Daha Düşük Sıcaklıklarda Amonyak Sentezi Katalize Edilebilir
Fotoğraf: Lantanit oksihidritlerle desteklenen metal rutenyum, amonyak sentezini daha düşük sıcaklıklarda verimli bir şekilde katalize edebilir.
Azot, bitkilerin büyümesi için gerekli bir besindir ancak çoğunlukla atmosferde gaz olarak bulunduğundan bitkiler tarafından erişilmesi güçtür. Özellikle tarımsal ortamlarda bitkilerin büyümesini desteklemek için kimyasal azotlu gübrelere ihtiyaç vardır. Bu gübrelerin üretiminde en kritik adım, katalizör varlığında hidrojen ve nitrojen arasında gerçekleşen tepkime sonucu amonyak sentezlenmesidir.
Bilindiği üzere, amonyak üretimi yüksek sıcaklık (400-500 ºC) ve yüksek basınç (10-30 MPa) koşulları gerektiren “Haber-Bosch” yöntemi ile gerçekleştirilmekte ve bu koşullar yöntemi pahalı hale getirmektedir. Bu nedenle, bilim insanları amonyak sentezinin reaksiyon sıcaklığını düşürmenin bir yolunu bulmaya çalışmaktadır.
Yakın zamanda, bilim insanları bir geçiş metali olan rutenyumun geleneksel demir bazlı katalizörlere göre daha ılımlı koşullar altında çalıştığını ve bundan dolayı amonyak sentezi için etkili bir katalizör olduğunu bildirdiler. Ancak bu noktada bilim insanlarının bir uyarısı var. Azot molekülleri amonyak oluşturmak için hidrojenle reaksiyona girmeden önce, azot atomlarının birbirinden ayrılması için katalizör yüzeyine yapışması gerekir. Fakat, düşük sıcaklık genellikle hidrojen moleküllerinin katalizör yüzeyine yapışmasına neden olur ve amonyak üretimini engelleyen bu duruma hidrojen zehirlenmesi adı verilir. Rutenyum ile çalışmak için hidrojen zehirlenmesini önlemek gerekmektedir.
Neyse ki, bazı malzemeler katalizör desteği olarak kullanıldıklarında rutenyumun katalitik aktivitesini artırabilir. Tokyo Teknoloji Enstitüsü’nden bir grup bilim insanı, kısa süre önce “LnH2+x ” formundaki lantanit hidrit malzemelerinin bu tür bir destek malzemesi grubu olduğunu ortaya çıkardı. Araştırma yöneticisi Prof. Dr. Maasaki Kitano bu konu hakkında, “Katalitik performans artışı, destek malzemesinin iki benzersiz özelliği ile gerçekleştirilir. İlk olarak, rutenyum yüzeyinde nitrojenin ayrışmasına yardımcı olan elektronları verirler. İkinci olarak ise, bu elektronlar yüzeyde hidrojenle birleşerek rutenyumun hidrojen zehirlenmesini baskılayan hidrit iyonları oluşturur ve bu iyonlar, amonyak oluşturmak ve elektronları serbest bırakmak için kolayca nitrojenle reaksiyona girer.” ifadelerini kullandı.
Hidrit iyon hareketliliğinin amonyak sentezinde bir rolü olabileceğinden şüphelenen ekip, rutenyum için destek malzemesi olarak 100-400 °C’de hızlı hidrit iyon iletkenleri olarak bilinen lantanit oksihidritlerin (LaH3−2xOx) performansını araştırdı.
“Yığın” hidrit iyon iletkenliğinin, amonyak sentezinin aktivasyonu üzerinde çok az etkisi olsa da hidrit iyonlarının yüzeysel veya bölgesel hareketliliği, rutenyumun hidrojen zehirlenmesine karşı güçlü bir direnç oluşturmasına yardımcı olarak katalizde çok önemli bir rol oynar. Ayrıca, diğer destek malzemeleri ile karşılaştırıldığında, lantan oksihidritler amonyak oluşumu için daha düşük bir başlangıç sıcaklığı (160 °C) gerektirir ve daha yüksek bir katalitik aktivite gösterir.
Ekip ayrıca, oksijenin varlığının oksihidrit çerçevesini ve hidrit iyonlarını, katalizi engelleme eğiliminde olan ve hidrit destek malzemelerinin kullanımında büyük bir dezavantaj sağlayan nitridasyona karşı stabilize ettiğini gözlemledi. Prof. Dr. Maasaki Kitano, “Nitridasyona karşı direnç, hidrit iyonlarının elektron verme kabiliyetini daha uzun reaksiyon süresi boyunca korumaya yardımcı olduğu için çok büyük bir avantajdır.” dedi.
Lantanit oksihidritler kullanılarak elde edilen üstün katalitik performans ve düşük sentez başlangıç sıcaklığı, amonyak üretimindeki ısıyı düşürmek için aranan çözüm olabilir.
Kaynak: eurekalert.org
