محققان دانشگاه فلوریدا مرکزی از مکانیسم‌های کلیدی برای تولید آمونیاک پایدار پرده برداشتند. آمونیاک یک ماده اساسی در بسیاری از کودها برای تولید مواد غذایی است، اما روش تولید اصلی آن انرژی و سوخت نیاز دارد. محققان دانشگاه فلوریدا مرکزی در تلاشند تا با افزایش کارایی یک روش پایدار، این مسئله را تغییر دهند.
تولید صنعتی آمونیاک با فناوری‌نانو متحول خواهد شد؟
یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه فلوریدا مرکزی با همکاران خود در ویرجینیا تک، یافته‌های مهم خود در مورد سنتز الکتروشیمیایی آمونیاک، پیشبرد تحقیقات پایدار کود و در نتیجه کمک به تلاش‌های جهانی ایمنی مواد غذایی را منتشر کردند.
آمونیاک، ترکیبی از نیتروژن و هیدروژن، یک ماده اساسی در بسیاری از کودها برای تولید مواد غذایی است. با این حال، روش اصلی تولید آن، روش Haber-Bosch، انرژی و سوخت زیادی نیاز دارد و ۳٪ تا ۵٪ از تولید گاز طبیعی جهان را مصرف می‌کند و بیش از ۱ ٪ از انتشار جهانی کربن را به خود اختصاص می‌دهد.
محققان با استفاده از روتنیوم فلزی به‌عنوان یک کاتالیزور، کارآمدترین روش برای تولید آمونیاک را از طریق یک روش تولید پایدار شناسایی کردند. محققان می‌گویند، این روش تولید می‌تواند پایدارتر باشد وقتی برق از منابع تجدیدپذیر مانند خورشیدی یا باد برای تأمین انرژی سنتز الکتروشیمیایی استفاده می‌شود.
این یافته‌ها در ACS Energy Letters منتشر شده است.
محققان می‌گویند در حالی که تلاش‌های تحقیقاتی زیادی در مورد تولید آمونیاک الکتروشیمیایی وجود دارد، اما محققان می‌گویند که مکانیسم‌های اساسی هنوز به خوبی درک نشده‌اند.
با این حال، این تحقیق جدید به ارائه تصویری واضح‌تر از مکانیسم واکنش کمک می‌کند. فنگ از محققان این پروژه می‌گوید: «نتایج این کار عمیق می‌تواند راهنمایی مهمی را برای محققان در مورد چگونگی طراحی کاتالیزورهای کارآمدتر در جهت تولید آمونیاک پایدار فراهم کند.»
با استفاده از لایه‌نشانی اتمی، محققان قادر به کنترل دقیق نانومواد سنتز شده در مقیاس اتمی بودند و امکان آزمایش نانوذرات روتنیم از دو تا هشت نانومتر را فراهم می‌آورند.
محققان دریافتند که در حالی که اتم‌های روتنیم را به یک ساختار کاتالیزوری لایه‌بندی می‌کنند، ترتیب ویژه‌ای از اتم‌های سطح روتنیم به نام سایت مرحله D5 فعال‌ترین سایت برای واکنش احیاء نیتروژن الکتروشیمیایی است.
محققان می‌گویند بر خلاف سایر سایت‌ها، سایت D5 دارای “تعادل کامل” است که به نفع شکل‌گیری واسطه N2H بوده و مسموم نیز نمی‌شود.
نانوذرات روتنیم از حدود چهار نانومتر، بهترین عملکرد کاتالیزوری برای واکنش احیاء نیتروژن را دارند. فعالیت در چهار نانومتر به اوج خود رسید و سپس با افزایش دو برابری ابعاد، این کارایی پنج برابر کاهش می‌یابد، که نشان‌دهنده اثر مهم اندازه ذرات روتنیم در کاتالیزور است.
فنگ می‌گوید محققان قصد دارند تا با استفاده از لایه‌نشانی اتمی برای تولید آمونیاک پایدار، برای تولید مواد پیچیده‌تر و کارآمدتر همکاری کنند.
