L'ajout d'atomes de cobalt pour combler les lacunes dans les cristaux de bisulfure de molybdène 2D améliore la capacité du matériau à catalyser l'ammoniac à partir de diazote. Les scientifiques de l'Université Rice ont développé une méthode « verte » pour la synthèse à petite échelle de l'ammoniac qui utilise moins d'énergie et produit moins de dioxyde de carbone que les procédés industriels. Crédit :Lou Group/Rice University
Les chercheurs de l'Université Rice ont développé une méthode inorganique pour synthétiser l'ammoniac qui est à la fois respectueuse de l'environnement et peut produire le précieux produit chimique à la demande dans des conditions ambiantes.
Le scientifique des matériaux du laboratoire de la Brown School of Engineering, Jun Lou, a manipulé un cristal bidimensionnel qu'il comprend bien - le bisulfure de molybdène - et l'a transformé en catalyseur en éliminant les atomes de soufre de la structure en forme de réseau et en remplaçant le molybdène exposé par du cobalt.
Cela a permis au matériau d'imiter le processus organique naturel utilisé par les bactéries pour transformer le diazote atmosphérique en ammoniac dans les organismes, y compris chez l'homme, qui utilisent l'ammoniac pour aider la fonction hépatique.
Le processus inorganique permettra de produire de l'ammoniac partout où il est nécessaire en tant que complément à petite échelle à l'industrie, qui produit des millions de tonnes de produits chimiques chaque année grâce au procédé inorganique Haber-Bosch.
La recherche est décrite dans le Journal de l'American Chemical Society .
"Le procédé Haber-Bosch produit beaucoup de dioxyde de carbone et consomme beaucoup d'énergie, ", a déclaré Xiaoyin Tian, co-auteur principal et étudiant diplômé de Rice. "Mais notre processus utilise l'électricité pour déclencher le catalyseur. Nous pouvons obtenir cela à partir de l'énergie solaire ou éolienne."
Les chercheurs savaient déjà que le bisulfure de molybdène avait une affinité pour se lier au diazote, une molécule naturelle de deux atomes d'azote fortement liés qui forme environ 78% de l'atmosphère terrestre.
Les images au microscope montrent du disulfure de molybdène dopé au cobalt cultivé sur un tissu de carbone. L'image au microscope électronique à transmission haute résolution à droite révèle les nanofeuillets dopés, qui facilitent la catalyse électrochimique efficace de l'ammoniac. Le processus a été développé pour une utilisation à petite échelle par des scientifiques des matériaux de l'Université Rice. Crédit :Lou Group/Rice University
Simulations informatiques par Mingjie Liu, associé de recherche au Brookhaven National Laboratory, ont montré que le remplacement de certains atomes de molybdène exposés par du cobalt améliorerait la capacité du composé à faciliter la réduction du diazote en ammoniac.
Des tests en laboratoire à Rice ont montré que c'était le cas. Les chercheurs ont assemblé des échantillons du matériau à l'échelle nanométrique en faisant croître des cristaux de bisulfure de molybdène défectueux sur un tissu de carbone et en ajoutant du cobalt. (Les cristaux sont techniquement 2-D mais apparaissent comme un plan d'atomes de molybdène avec des couches de soufre au-dessus et au-dessous.) Avec le courant appliqué, le composé a donné plus de 10 grammes d'ammoniac par heure en utilisant 1 kilogramme de catalyseur.
Xiaoyin Tian, étudiant diplômé de l'Université Rice, la gauche, et le chercheur postdoctoral Jing Zhang a dirigé l'effort de développement d'un catalyseur inorganique pour l'ammoniac basé sur dopé, bisulfure de molybdène bidimensionnel. Crédit :Lou Group/Rice University
"L'échelle n'est pas comparable à des procédés industriels bien développés, mais cela peut être une alternative dans des cas particuliers, " a déclaré le co-auteur principal Jing Zhang, chercheur postdoctoral à Rice. « Il permettra la production d'ammoniac là où il n'y a pas d'installation industrielle, et même dans les applications spatiales." Il a déclaré que les expériences de laboratoire utilisaient des alimentations dédiées en diazote, mais la plate-forme peut aussi facilement le tirer de l'air.
Lou a déclaré que d'autres dopants peuvent permettre au matériau de catalyser d'autres produits chimiques, un sujet pour de futures études. "Nous pensions qu'il y avait une opportunité ici de prendre quelque chose que nous connaissons très bien et d'essayer de faire ce que la nature fait depuis des milliards d'années, " dit-il. " Si nous concevons un réacteur de la bonne façon, la plate-forme peut remplir sa fonction sans interruption."
