Существует острая потребность в селективных катализаторах, которые позволили бы нам последовательно достигать желаемого результата в химической реакции. Именно эта последовательность позволяет более эффективно и экономно производить топливо.
Команда исследователей из Университета Тохоку, Индийского технологического института в Индоре и Университета Далхаузи обнаружила, что нанокластер Cu₁₄ (НК) с одним открытым сайтом Cu демонстрирует удивительно высокую селективность по аммиаку (NH₃) (~80%) и скорость производства в реакции электрохимического восстановления нитрат-ионов.
Они подчёркивают методы контроля селективности катализатора, которые, как ожидается, внесут значительный вклад в создание различных металлических НК-катализаторов в будущем. Их выводы поддерживают более эффективный способ производства аммиака — универсального источника «зелёной» энергии.
Аммиак как экологически чистое топливо
Аммиак (NH₃) привлекает значительное внимание как топливо нового поколения. Хотя его основное преимущество заключается в отсутствии выбросов углекислого газа при сгорании, метод его производства не так экологичен. Доминирующий метод производства требует высоких температур и давлений, что создаёт значительную нагрузку на окружающую среду.
В качестве альтернативы традиционному химическому синтезу в качестве перспективного метода производства аммиака выступает синтез NH₃ путём электрохимического восстановления нитрат-ионов (NO₃⁻) (eNO₃⁻RR), работающего на электричестве, полученном из возобновляемых источников энергии. Эта технология позволяет напрямую преобразовывать NO₃⁻ в NH₃ при температуре и давлении окружающей среды, поэтому производство больше не наносит вреда окружающей среде.
Нанокластеры как активные катализаторы
В последние годы становится всё более очевидным, что атомарно точные металлические нанокластеры (НК) обладают значительным потенциалом в качестве высокоактивных катализаторов для широкого спектра реакций. Они обладают возможностью избирательного стимулирования желаемой реакции при подавлении нежелательных побочных реакций. Однако для многих металлических НК покрытие органическими лигандами препятствует обнажению поверхностных атомов металла, которые служат активными центрами, что часто приводит к относительно низкой активности и селективности.
Исследователи обнаружили, что тщательный отбор тиолятных или SR-лигандов позволил им контролируемо приготовить Cu₁₄ НК, демонстрирующие либо наличие, либо отсутствие координационно ненасыщенных открытых активных Cu-сайтов. Они рассудили, что нацеливание на SR-лиганды, не содержащие Ph-групп, ограничивает структурные искажения Cu НК.
Электрохимическая оценка показала заметно более высокие характеристики для E-Cu₁₄/CB с открытыми активными Cu-сайтами, о чём свидетельствует исключительно высокая фарадеевская эффективность (ФЭ) для производства NH₃ (ФЭNH₃ = 78%).
«Это достижение не только демонстрирует влияние общей геометрической структуры на каталитическую активность в металлических нанокластерах, но и непосредственно показывает, что обнажение всего одного активного центра может кардинально изменить каталитическую активность», — отмечает Юичи Негиши (Институт междисциплинарных исследований для передовых материалов). «Мы рады отметить новую веху в исследованиях металлических нанокластеров».
Предоставлено Университетом Тохоку.