Endüstri Mirası: Haberin Anlayışını Anlayın -Bosch Süreci

Modern uygarlık sabit azot üzerinde çalışır. Haber-Bosch süreci, 20. yüzyılın başlarında BASF'de gelişmiştir, şimdi yılda 150 milyondan fazla amonyak üretir. Bu amonyak, dünyanın sentetik gübreleri aracılığıyla nüfusun yaklaşık% 1.8'i sağlar.

Karbon ayak izi ötesinde, haber-Bosch doğal olarak merkezileştirilmiştir. Büyük ölçekli bitkiler, yüksek devirde yüksek oranda ihtiyaç duyulan koşullar altında faaliyet gösteren milyar dolarlık sermaye yatırımlarını, büyük altyapıyı ve sürekli operasyonu ekonomik olarak gerektirir. Bu merkezileştirme tedarik zinciri açıklarını yaratır, özellikle ithal gübrelere güvenmek için gelişmekte olan ülkeler için.

Heterojen Kedi: Mild Fixation'a giden bir yol

Heterojen kataliz, sağlam bir katalizör gaz veya sıvı tepkicüler üzerinde hareket ettiği yerde, haber-Bosch'un yerini almak için en doğrudan rotayı sunar. katalizörler tepkiden farklı bir aşamadadır, kolay bir şekilde geri kazanılır, geri kazanılır ve tekrarlanır - sürdürülebilir endüstriyel kimya için kritik.

Temel zorluk N2 (941 kJ /mol) güçlü üçlü bağı kırıyor. Haber-Bosch, elektron bağışının ve geri yüklemenin bir kombinasyonunu sağlamak için yüksek sıcaklık kullanıyor (Lepogenous katalizörler) Heterojen enerjiyi yeterince düşük maliyetli hale getirmek için tasarlanmıştır.

Aktivizminin Mechanisms of Aktivisms of Aktivisms

Metal bir yüzeyde N2 ad absorpsiyon iki ana modda meydana gelebilir: yan-on ( ⁇ 2) ve son-on ( ⁇ 1). Side-on ad absorpsiyon genellikle N2 dissociation için en yüksek aktiviteyi gösterir, ancak birçok başarılı katalizörler, elektronları }}ye bağışlayan bir metal merkezi ile bağlayıcı olabilir.

Sürdürülebilir Nitrojen Fixasyon için Catalyst Aileleri

Araştırmacılar, haber-Bosch'dan önemli derecede hafif koşullarda çalışan heterojen katalizörlerin çeşitli umut verici sınıflarını belirlediler. Her aile farklı avantajları ve mevcut kısıtlamalara sahiptir.

Metal Nites: Lattice Nitrogen'i Çıkarın

Metal nitrides, molybdenum nitride (Mo2N), kobalt molybdenum nitride (Co3Mo3N) ve kullanım alanı nitride (VN) güçlü bir ilgi gördü. Önemli konsept Mars-van Krevelen mekanizması: lattice azot atomları, özellikle de, 400 °C'de ve gaz fazı altındaki demir katalizör oranlarıyla birlikte Atmosferik baskıya katıldı.

nitritlerle olan meydan okuma istikrardır: diğer geçiş metalleri veya metalleri daha düşük (örneğin, Ni, Fe) aktif nitrit fazını stabilize etmek ve ayrıca aktif siteleri geliştirebilmek için söz verdi.

Transition Metal Oksits: Tuning Oksijen Vacancies

Transition metal oksitler, özellikle de CeO2, TiO2 ve Fe2O3 gibi kırmızı-zengin olmayanlar, N2'yi oksijen yetersizliği sitelerinde etkinleştirebilir. vacancy, elektronların N2. Barium-promoted ruthenium gibi zengin bir ortam yaratır - yüksek aktivite için oksit desteği ile bir araya getirir.

Lanthanum-cobalt oksits ve iki perovskites (e.g., Sr2FeMoO6) ayrıca görünür ışık veya hafif termal koşullar altında azot düzeltmesini göstermiştir.

Tek-Atom Catalyst: Metal Utilizasyonunu Maximing

Tek atom katalizörleri (SACs), yüksek sigortalı bir karbona (örneğin, Fe-N-C) ve ısıtıcı bir atom kullanımında neredeyse% 100 metal atom kullanımında dağıtıldı - elektrokimyasal azot azaltımı (NRR) ve ısıtıcı reaksiyon (NRR) için dikkat çekici metaller için önemli bir aktivite gösterdi.

Fe-N-C katalizörleri, örneğin, yaklaşık 350 °C ve 10 bardaki bazı nitrit katalizörleri ile karşılaştırılabilir olan oranlarda amonyak üretebilir.Demokülasyon stratejileri ve hataların oluşmasında özellikle de dört azot atomu etkiler.

MXenes ve İki Boyutlu Malzeme

MXenes – Metal lübünleri, nitritleri veya karbonitritler – metal iletkenliği ve tonable yüzey uçları ile yeni bir 2D materyali gösterdi. Molybdenum MXenes gibi yüksek iletkenlikler elektron bazlı MXenes - her yerde Tx yüzeysel işlevleri temsil eder -OH, -O, -F) NRR için, yüzeysel basınç basıncındaki ısıtıcı bir elektrolit için umut verici bir aktivite gösterdi.

Benzer şekilde, metal-organik çerçeveler (MOF) ve kovalent organik çerçeveler (COFs) en sonunda kendi katalizörleri olarak hizmet edebilir veya katalizör olarak tanımlanabilir, ancak termal stabiliteleri genellikle düşük sıcaklık elektrokimyasal süreçlere sınırlandırılırken, son gelişmelerin sonunda sağlam azot-koksuz çerçeveler oluşturmakta fayda sağlayabilirler.

Termal Kedi Bakımının Ötesinde: Işık ve Elektrikli Alanlar

Hafif koşullara geçiş genellikle başka bir enerji girişi ile heterojen kataliz gerektirir. İki tamamlayıcı yaklaşımlar traksiyon kazandı.

Fotocatalytic Nitrogen Fixation

TiO2, BiVO4 ve g-C3N4 gibi yarı iletken fotocatalysts, o zaman nitro azaltımı yapan elektron deliği üretmek için güneş ışığı kullanabilir. Grup yapısı dikkatlice mühendisi olmalıdır: iletim grubu N2/NH3 azaltımı potansiyelinden daha olumsuz olmalıdır (-0.33 V vs. RHE), ve valans grubu oxidasyonu (genellikle su oksidasyonu O2) döngüsü kapatmak için. oksijen vazozit ve yüzey hataları gereklidir.

Mevcut fotokimya sistemleri 100-500 μmol g -1 h-1 - 1 - yoğun endüstriyel kullanım için çok düşük - ancak sadece su ve güneş ışığından gelen sıcaklık ve baskı ile çalışır.

Elektrocatalytic Ammonia Synthesis

Elektrokrepiyaliz, N2 azaltımı bir kedihode'de kullanmak için uygulanan bir gerilim kullanır, su genellikle proton kaynağı olarak. Anahtar avantajı ısıdan enerjik girdileri azaltılır: yüksek sıcaklıklar gerekli değildir ve süreç yenilenebilir elektrik ile güçlendirilebilir. Heterojen elektrocatalystler asil metaller (Ru, Rh, Au), geçiş metalleri (Fe, Mo), ve metal bileşikler (Mo2, Fe2O3, Ni2P).

İki kalıcı zorluk düşük faradamik verimlilik (% 10'un altında) ve Li3N'in üzerinde uyguladığı rakip hidrojen evrimi reaksiyonu (HER), proton azaltımı potansiyelinin %50'nin üzerinde ve on nmol elektrolitlerin oranlarına benzer olduğu için, katı olmayan elektrolitler (örneğin, Li3N'nin klasik anlamda katılaşan yaklaşımlarla) ve lityum-medikçe, birkaç farklı şekilde tekrarlanabilirlik sistemine benzer şekilde tepki gösterir.

Karşılaştırmalı Avantajları ve Hurdles Kalan

Haber-Bosch üzerindeki heterojen katalitik yöntemlerin birincil avantajları açıktır:

  • [FONT=0) Düşük enerji gereksinimleri: [Dönetici basınç ve sıcaklık (termal) veya yenilenebilir elektrik (electrocatized) enerji tüketimini teorik veya laboratuvar ölçekli çalışmalarda% 30-50 azaltmaktadır.
  • [FONT:0)Redüklenmiş sera gazı emisyonlarını: [Döntilmiş üretim, buharlı metna reformundan hidrojen taşınmasıyla ilişkili emisyonlardan kaçınır.Eğer hidrojen yenilenebilir enerji kullanarak su elektrolizden gelirse, süreç neredeyse karbon-nötr olabilir.
  • [FONT:0] Ortamıtılmış üretim içinPotential for adeksiyon: Küçük ölçekli reaktörler çiftliklerde veya yerel ko-oplarda konuşlandırılabilir, ulaşım ve depolama maliyetlerini amonyak için azaltır. Bu özellikle fakir altyapı ile uzak tarım bölgeleri için cazip.
  • [FONT:0]Ease of katalizör kurtarma ve yeniden kullanım:) Katı katalizörler filtrelenebilir, yeniden üretilir ve birçok kez tekrarlanır. Heterojen sistemler genellikle homojen süreçlerden daha düşük katalizör kayıplara sahiptir.

Bu avantajlarına rağmen, bu yöntemlerden herhangi biri haber-Bosch'u ölçeklendirebilir:

  • [FONT=0]Aktiflik ve seçicilik: [Dönetici: [Dönetici:0)) Şu anda 1-3 Kapasitenin düşüklüğünden daha düşük siparişler Haber-Bosch sistemleri. En iyi laboratuvar-öldürücü elektrocatalystler 10-8 mol cm -2 s-1 siparişi, ticari bir haber-Bosch reaktörü yaklaşık 10-5-10-4 mol cm -2 s -1.
  • [FONT:0]Stability and deactivation:), Birçok ortaya çıkan katalizörler, sintering, oxidasyon veya ameliyat günleri boyunca zehirlenmeden muzdariptir. Industrial katalizörler önemli bir bozulma olmadan yıllarca çalışmalıdır.
  • [FONT:0]Prost of katalizör malzemeler:[Dönetici:[Dönetici: 0,0) Noble metaller (Ru, Rh, Pt, Au) sık sık en iyi performans gösterir, ancak büyük ölçekli kullanım için çok pahalıdır. Dünyadan yoksun alternatifler (Fe, Co, Ni, Mo) daha ucuz ama daha az aktif veya istikrarlıdır.
  • [FONT:0) Aşağı bölmelerin İncelenmesi: Ammonistan genellikle N2, H2 ve yan ürünlerle bir dilsel karışım olarak üretilir. (örneğin, elektrokimyasal sistemlerde hipnoterapistler).
  • [FONT:0] katalizörün kendisi için sayısal sentez: Birçok umut verici katalizörler – özellikle tek atom katalizörleri ve MXenes – karmaşık sentez yöntemleri (atomik tabaka dakonomisi, kimyasal buhar depozisyon, HF etching) ekonomik ölçeklendirmek zordur.

Future Outlook: Practical Milder Nitrogen Fixation

Araştırma topluluğu, birkaç umut verici rotada toplanır. termal heterojen kataliz için, perovskite'nin alkali metal doping ile yapılan kombinasyonu zaten niş uygulamalarda ticarileşmiştir ve daha fazla gelişme Dünyadan-abüpüre katalizörler (örneğin, Co3Mo3N, teşvik ediciler ile) aktivite boşluğunu kapatmaktadır.

Elektrokrezilde, lityum aracılı sistem en güçlü aday olarak ortaya çıktı, başlangıç şirketleri ile birlikte, ESRAT:0)Siemens Enerji ve diğerleri ) .

Fotocatiyaliz, düşük kuantum verimliliği nedeniyle daha uzun vadeli bir umut olarak kalır, ancak plazonik nanoyapılarda ve Z-scheme sistemleri,% 10 güneş-ammonia verimliliğinin, güneşli bölgelerde küçük ölçekli kullanım için ekonomik olarak uygulanabilir olabileceğini öne sürer.

Heterojen kataliz ayrıca amonyak sentezlerinin ötesinde bir role sahiptir: Çiftçilerin yenilenebilir enerji ve yakalama havası gibi kendi amonyak bileşiklerinin üretimi, haber-Bosch tarafından gerekli olan büyük lojistik zinciri ortadan kaldırmak.

Bilimsel topluluk, aktif siteleri reaksiyon koşulları altında gözlemleyebiliyor, katalizör tasarımı için doğrudan geri bildirim sağlar. İlk kayıt hesaplamaları, metal yüzeyler ve alaşım kompozisyonları arasındaki aktivite trendlerini güvenilir bir şekilde tahmin ediyor.Bu araçlar, birlikte karbonatları tarımı de gözlemleyebilmek için, heterojen kediizliği düzelten, stabilize etmek için ilk kodlu araştırma alanlarının gelecek yıllardan beri canlı ve yüksek oranda bir araya gelmesini sağlıyor.

Daha derin bir teknik atla ilgilenen okuyucular için, iki son inceleme kapsamlı bir kapsama sağlar: Doğa değerlendirmelerinde katalizörler (Gönergesel) (2021) ) ve [[Enerjinin Yeşil Amonya Programı[Dönetici ve fotokimyasal azot düzeltmesi) [Dönemli ailelerin, mechanistic insights ve mevcut zorluklar hakkında ayrıntılı tartışmalar sunar.