پژوهشگران مؤسسه علوم توکیو موفق به توسعه کاتالیستی جدید شده‌اند که بدون نیاز به فلزات واسطه، تولید آمونیاک را کارآمدتر و پایدارتر می‌کند. این تحقیق نشان می‌دهد که اکسونیتراید-هیدرید ارتوسیلیکات باریم-سیلیکون (Ba₃SiO₅₋ₓNᵧH𝓏) می‌تواند جایگزینی مناسب برای کاتالیست‌های فلزی سنتی باشد.
تولید آمونیاک سبز با کاتالیست عاری از فلزات واسطه
آمونیاک یکی از مواد کلیدی در تولید کودهای شیمیایی، مواد منفجره و بسیاری از محصولات صنعتی است. روش متداول سنتز آمونیاک، یعنی فرایند هابر-بوش، به دلیل نیاز به دما و فشار بسیار بالا، مصرف انرژی زیادی داشته و منجر به انتشار گسترده دی‌اکسیدکربن می‌شود. تاکنون، کاتالیست‌های مورد استفاده در این فرایند بیشتر بر پایه آهن و روتنیوم بودند که مشکلات زیست‌محیطی و اقتصادی به همراه داشتند.
از ویژگی‌های منحصربه‌فرد کاتالیست جدید می‌توان به این موارد اشاره کرد:
عدم نیاز به فلزات واسطه: برخلاف روش‌های قبلی، این کاتالیست برای فعال‌سازی نیتروژن نیازی به فلزات گران‌قیمت و کمیاب ندارد.
فعالیت بالا در شرایط ملایم‌تر: این ماده می‌تواند در دما و فشار پایین‌تر نسبت به کاتالیست‌های معمول، تولید آمونیاک را انجام دهد.
پایداری شگفت‌انگیز: ترکیب Ba₃SiO₅₋ₓNᵧH𝓏 در شرایط صنعتی پایدار باقی می‌ماند و قابلیت استفاده در مقیاس صنعتی را دارد.
سازگار با محیط‌زیست: کاهش مصرف انرژی و کاهش انتشار CO₂، این فناوری را به گزینه‌ای سبز و پایدار تبدیل کرده است.
مکانیزم عملکرد کاتالیست Ba₃SiO₅₋ₓNᵧH𝓏
این کاتالیست دارای حفره‌های آنیونی (anion vacancies) در ساختار خود است که نقشی کلیدی در فعال‌سازی مولکول نیتروژن و تبدیل آن به آمونیاک ایفا می‌کنند. در بررسی‌های آزمایشگاهی، افزودن نانوذرات روتنیوم باعث افزایش عملکرد کاتالیست شد. اما نکته مهم این است که نقش اصلی در کاهش انرژی فعال‌سازی را حفره‌های آنیونی ایفا می‌کنند، نه روتنیوم.
این پژوهش، گام در مسیر جایگزینی کاتالیست‌های فلزی با ترکیبات پایدار و کارآمدتر محسوب می‌شود. قابلیت تولید در مقیاس صنعتی، این فناوری را به گزینه‌ای ایده‌آل برای استفاده در صنعت تولید آمونیاک سبز تبدیل می‌کند. همچنین، این روش امکان توسعه برای سایر فرایندهای کاتالیستی بدون فلزات واسطه را فراهم می‌سازد.
