Медно-кобальтовый катализатор сам перестраивается для эффективного синтеза аммиака

Ученые из Японии и Китая разработали катализатор на основе меди и кобальта, который самопроизвольно перестраивается в процессе электрохимического восстановления нитратов. Благодаря этой реконструкции удалось достичь фарадеевской эффективности 95,4% при получении аммиака. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Science.

Электрохимическое превращение нитратов решает две задачи: очистку загрязненной воды и производство аммиака в мягких условиях, без энергоемкого процесса Габера — Боша. Медные катализаторы считаются перспективными, но их поведение в реакции оставалось неясным: ионы меди меняли степень окисления, медь плохо удерживала промежуточные вещества и медленно расщепляла воду.

Специалисты под руководством Такеши Фудзиты из Кочинского технологического университета добавили к оксиду меди оксид кобальта в количестве от 10 до 50 мольных процентов. Кобальтовая фаза должна была усиливать генерацию активного водорода, а медная — обеспечивать захват нитратов и их восстановление. Катализаторы проверили в электрохимической ячейке, используя спектроскопию in situ и электронную микроскопию.

Оптимальным оказался катализатор с 10 мольными процентами кобальта (Co:Cu = 1:9). Повышение доли кобальта усиливало конкурирующее выделение водорода и тормозило синтез аммиака. В ходе электролиза исходный Co1Cu9OX перестраивался: на поверхности формировались металлическая медь, оксид кобальта и гидроксильные соединения меди. Эта реконструкция ускоряла адсорбцию нитратов и стабилизировала промежуточные комплексы, что позволило получать 54,68 миллиграмма аммиака в час на миллиграмм катализатора.