חומר ננומטרי מעודד ייצור אלקטרוכימי של אמוניה

^{חוקרים בסין הצליחו לפתח ננוחומר אלקטרוקטליטי המורכב מליבה של תחמוצת ואנדיום עם מעטפת של ואנדיום ניטריד שנועד לחזר חנקן לחומר החשוב אמוניה. החוקרים מצאו כי הם יכולים לכוונן את היחס שבין הליבה למעטפת על מנת למטב את היעילות והניצולת של התהליך}

^{[תרגום מאת ד”ר משה נחמני]}

^{בתור אחד מהחומרים האי-אורגניים הנפוצים ביותר, אמוניה נוטלת חלק חשוב בחקלאות (להכנת דשנים), בסינתזה כימית ובנוסף, לאחרונה, כחומר לאחסון אנרגית מימן. שלא כמו תהליך הבר-בוש [תגובת קיבוע של גז חנקן עם גז מימן, על שטח פנים של זרז מבוסס תחמוצת ברזל. התהליך משמש לייצור תעשייתי של אמוניה והוא קרוי על שמם של פריץ הבר וקרל בוש, אשר המציאו ופיתחו את השיטה. על תהליך ייצור האמוניה קיבל פריץ הבר את פרס נובל לכימיה לשנת 1918], חיזור אלקטרוכימי של חנקן מסוגל לייצר אמוניה בתנאים מתונים, ולפיכך הוא תחום נחקר בתור חלופה ברת-קיימא לתהליך הבר-בוש.}

^{על מנת לחזר חנקן לאמוניה, יש צורך באלקטרו-זרז. זרז זה מעודד ספיחה של חנקן ושפעול שלו, זאת על מנת להתגבר על הקשר המשולש החזק מסוג חנקן-חנקן. השימוש בזרז זה גם משפר את הקינטיקה של התגובה שבה מועברים שישה אלקטרונים מצומדי-פרוטון על מנת להמיר די-חנקן לאמוניה. יחד עם יתרונות אלו, עדיין קיים צוואר בקבוק בייצור של אלקטרו-זרז שהוא גם בעל תגובתיות גבוהה וגם בררנות גבוהה עבור החיזור של חנקן.}

^{על מנת לשמור על איזון בין תגובתיות לבין בררנות, החוקר Yu Wang מאוניברסיטת צ’ונגצ’ינג (Chongqing) וצוות המחקר שלו פיתחו אלקטרו-זרז ננומטרי המורכב מליבה של תחמוצת ואנדיום עם מעטפת של ואנדיום ניטריד. החוקרים ניסו לנצל את התכונות של שני החומרים; ניטרידים מתכתיים יכולים ליזום בקלות תגובה של חיזור חנקן באתר הניטריד, שלאחר מכן יכול להיות משופעל על ידי אטומי חמצן אלקטרושליליים הנמצאים בסמוך על מנת לפלוט אמוניה. “העיצוב של ליבת התחמוצת מבטיח כי החומר לא עובר דה-שפעול למשך זמן ארוך”, אומר החוקר הראשי, זאת לאור העובדה כי פני השטח של אטומי החמצן אינם יציבים בסביבה אלקטרוכימית. החומר הננומטרי של צוות המחקר הצטיין בחיזור האלקטרוכימי של חנקן בייצור של אמוניה בתוך אלקטרוליט חומצי. החוקרים הצליחו לייצר אמוניה בניצולת של עד שישים אחוזים (לכל מיליגרם של זרז) וביעילות של עד שלושים וחמישה אחוזים. בנוסף, הזרז הוכח כבררני ביותר עבור הייצור של אמוניה, זאת בהשוואה לייצור הידראזין, ונותר פעיל גם לאחר חמישים שעות של אלקטרוליזה ללא שינויים מבניים.}

^{מיטוב העובי של מעטפת הניטריד היה היבט חשוב של עיצוב האלקטרו-זרז, במיוחד ביחס למרכז פס הדי (d-band) של המתכת (המתאר את יחסי הגומלין שבין הזרז לבין החומר הנספח). הגם שהמעטפת הניטרידית הדקה ביותר היתה בעלת פס הדי הגבוה ביותר, ולפיכך, בעלת יחסי הגומלין החזקים ביותר בין הדי-חנקן לבין החומר הנספח, הפער המשמעותי ביותר בין פסי הערכיות וההולכה מגביל את מעבר המטען ולפיכך את הביצועים הקטליטיים. העובי המיטבי של המעטפת הניטרידית עונה על מאזן בין שמירה על פס די גבוה תוך שמירה על פער מינימלי בין רמות האנרגיה של הערכיות לזו של ההולכה, זאת לשם קבלת העברת אלקטרונים יעילה ובסופו של דבר ביצועים אלקטרוכימיים טובים.}

^{“ממצאי המחקר שלנו קרובים לגבול היעילות של שיטת הייצור התעשייתי של אמוניה,” מעיר אחד מהמומחים בתחום. הוא מוסיף ואומר כי עקרונות העיצוב של ננו-החומרים הללו הכוללים ליבה-מעטפת אכן יוכלו לשמש במטרה להשגת יעילות גבוהה יותר.}     

^{המאמר המלא}

^{הידיעה אודות המחקר}

^{סכמה המתארת את התהליך החדש [באדיבות: Yu Wang/Chongqing University]}