Катализатор нового поколения: ученые ускоряют производство водорода из аммиака

Ученые создали катализатор для получения водорода из аммиака, который со временем становится более активным, а подсчет атомов выявил изменения, повышающие эффективность катализатора.

Исследовательская группа из химического факультета Ноттингемского университета в сотрудничестве с Бирмингемским университетом и Университетом Кардиффа разработала новый материал, состоящий из наноразмерных кластеров рутения (Ru), закрепленных на графитированном углероде. Эти нанокластеры Ru вступают в реакцию с молекулами аммиака, катализируя расщепление аммиака на водород и азот, что является важным шагом на пути к экологически чистому производству водорода.

Новаторское исследование опубликовано в Chemical Science, флагманском журнале Королевского химического общества.

Благодаря высокой объемной плотности энергии аммиак может стать энергоносителем с нулевым содержанием углерода, который в ближайшем будущем станет движущей силой новой устойчивой экономики. Поиск быстрых и энергоэффективных методов расщепления аммиака на водород (H₂) и азот (N₂) по требованию является крайне важным. Хотя деактивация катализатора — обычное дело, редко случается, что катализатор становится более активным по мере использования. Поэтому понимание механизмов на атомном уровне, лежащих в основе изменения активности катализатора, имеет решающее значение для разработки следующего поколения гетерогенных катализаторов.

Доктор Джесум Алвес Фернандеш, доцент химического факультета Ноттингемского университета и один из руководителей исследовательской группы, пояснил:

Традиционные катализаторы состоят из наночастиц, большинство атомов которых недоступны для реакций. Наш подход основан на использовании отдельных атомов, которые самособираются в кластеры нужного размера.

Таким образом, мы можем остановить рост кластеров, когда их площадь достигает 2-3 нм в квадрате, гарантируя, что большинство атомов остается на поверхности и доступно для химических реакций.

В данной работе мы использовали этот подход для выращивания нанокластеров рутения из атомов непосредственно в углеродной основе.

Исследователи использовали магнетронное распыление для создания потока атомов металла для создания катализатора. Этот метод, не требующий растворителей и реагентов, позволяет получить чистый и высокоактивный катализатор. Максимально увеличивая площадь поверхности катализатора, этот метод обеспечивает наиболее эффективное использование таких редких элементов, как рутений (Ru).

Доктор Ифань Чен, научный сотрудник химического факультета Ноттингемского университета, сказал:

Мы были удивлены, обнаружив, что активность нанокластеров Ru на углероде фактически увеличивается с течением времени, что противоречит процессам деактивации, обычно происходящим с катализаторами во время их использования.

Этот интересный результат невозможно объяснить с помощью традиционных методов анализа, поэтому мы разработали микроскопический подход для подсчета атомов в каждом нанокластере катализатора на разных стадиях реакции с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии.

Мы обнаружили ряд тонких, но значительных преобразований на атомном уровне.

Исследователи обнаружили, что атомы рутения, изначально неупорядоченные на поверхности углерода, перестраиваются в усеченные нанопирамиды со ступенчатыми краями. Нанопирамиды демонстрируют удивительную стабильность в течение нескольких часов в ходе реакции при высоких температурах. Они постоянно эволюционируют, увеличивая плотность активных участков, тем самым повышая производство водорода из аммиака. Такое поведение объясняет уникальные самосовершенствующиеся характеристики катализатора.

Профессор Андрей Хлобыстов, Химический факультет Ноттингемского университета, сказал:

Это открытие задает новое направление в разработке катализаторов, демонстрируя стабильную, самосовершенствующуюся систему для получения водорода из аммиака в качестве зеленого источника энергии.

Мы ожидаем, что этот прорыв внесет значительный вклад в развитие технологий устойчивой энергетики, поддерживая переход к безуглеродному будущему.

Это изобретение знаменует собой значительный прогресс в понимании атомистических механизмов гетерогенного катализа для производства водорода. Оно открывает путь к разработке высокоактивных, стабильных катализаторов, которые устойчиво используют редкие металлы путем точного управления структурами катализатора на наноуровне.

Ранее ученые открыли новый способ производства чистого водорода.

На фото: модель нанокластерного катализатора с атомами рутения зеленого и белого цвета (белые атомы выделяют активный центр), расположенными в виде сплюснутой пирамиды на углеродной основе (черные атомы). На заднем плане видна система магнетронного распыления, используемая для получения нанокластеров. Источник: University of Nottingham

09.01.2025


Подписаться в Telegram



Хайтек

Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность

3D-печать меняет правила игры: она дает б...

Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом

Физики научились управлять светом в кроше...

Тараканы-киборги — спасатели ближайшего будущего
Тараканы-киборги — спасатели ближайшего будущего

От зон стихийных бедствий до экстрем...

Томские ученые раскрыли секреты молекулярных взаимодействий
Томские ученые раскрыли секреты молекулярных взаимодействий

Ученые из Томского политехнического униве...

100 миллионов за молекулярный прорыв: в Уфе запустили супер-спектрометр
100 миллионов за молекулярный прорыв: в Уфе запустили супер-спектрометр

В Уфимском федеральном исследовательском центр...

От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP

В НИЯУ МИФИ создали онлайн-сервис —...

CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее

Передовая роботизированная система CARMA II ус...

Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности
Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности

Ученые из Санкт-Петербургского государств...

MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+
MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+

Инженеры из MIT придумали, как сдела...

Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры
Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры

Сотрудники лаборатории 3D-печати функциональны...

Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов
Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов

Ученые Томского политехнического университета ...

Свет из земли: как глина превратилась в дисплей
Свет из земли: как глина превратилась в дисплей

Мир дисплеев скоро изменится благодаря новым м...

В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии
В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии

В Национальном исследовательском ядерном униве...

Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям
Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям

Комментирует профессор Майя Вергниори, которая...

Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов
Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов

Катайский насосный завод, который находится в&...

Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»
Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»

Исследователи из Томского политехническог...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Невидимые враги: как ароматизаторы превращают ваш дом в угрозу для здоровья
Невидимые враги: как ароматизаторы превращают ваш дом в угрозу для здоровья
Спасти жизнь за минуты сможет кетамин в борьбе с эпилептическим статусом
Спасти жизнь за минуты сможет кетамин в борьбе с эпилептическим статусом
Cell Reports: Голодание приносит пользу взрослым, но создает риск для подростков
Cell Reports: Голодание приносит пользу взрослым, но создает риск для подростков
69 ученых, которые меняют мир: история успеха из Нижнего Новгорода
69 ученых, которые меняют мир: история успеха из Нижнего Новгорода
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Как взрываются звезды: открытия, которые меняют наше представление о Вселенной
Как взрываются звезды: открытия, которые меняют наше представление о Вселенной
Как получить инструмент будущих инженеров бесплатно, если ты студент
Как получить инструмент будущих инженеров бесплатно, если ты студент
От шахт до чистой энергии: путь австралийской горнодобывающей промышленности
От шахт до чистой энергии: путь австралийской горнодобывающей промышленности
Больничные раковины и невидимый враг, который в них живет
Больничные раковины и невидимый враг, который в них живет
Цикорий и кобальт: дуэт против рака, бьющий точно в цель
Цикорий и кобальт: дуэт против рака, бьющий точно в цель
Без капитана, но с комфортом: в Нижнем Новгороде строят судно без экипажа
Без капитана, но с комфортом: в Нижнем Новгороде строят судно без экипажа
Ученые объединили два прибора в один, чтобы лучше анализировать газы
Ученые объединили два прибора в один, чтобы лучше анализировать газы
Лазер, графен, полимер: как создают электронику, которую можно сгибать
Лазер, графен, полимер: как создают электронику, которую можно сгибать
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Удаленка навсегда: как бизнес адаптируется к новым реалиям
Удаленка навсегда: как бизнес адаптируется к новым реалиям

Новости компаний, релизы

Более 200 нижегородцев посетили научные кинопоказы честь Дня российской науки
Школьников и студентов Хабаровского края приглашают написать всероссийский диктант «Наука во имя Победы»
На Фестивале «Москва — Точка старта» победили проекты из МИФИ
Молодых и заслуженных ученых наградили в Хабаровске
Калужан приглашают к участию в XIII сезоне Международного инженерного чемпионата CASE-IN