Forskare vid Tokyo Metropolitan University har avslöjat hur kopparoxidkatalysatorer förändras under reaktioner för att dramatiskt öka ammoniakavkastningen. Detta genombrott inom elektrokemisk nitratreduktion kan leda till renare alternativ till den energikrävande Haber-Bosch-processen. Resultaten belyser en nyckelbildning av metalliskt koppar som förbättrar effektiviteten under omgivande förhållanden.
Ammoniak, essentiell för gödningsmedel och global jordbruk, produceras traditionellt via Haber-Bosch-processen, som kräver höga temperaturer och tryck, förbrukar enorm energi och bidrar med cirka 1,4 % av världens koldioxidutsläpp. För att hitta hållbara alternativ undersökte ett team ledd av professor Fumiaki Amano vid Tokyo Metropolitan University den elektrokemiska nitratreduktionsreaktionen, som genererar ammoniak från nitrater vid rumstemperatur och normalt atmosfärstryck.
Med avancerade operando röntgenabsorptionsmetoder fäste forskarna kopparoxidpartiklar på kolfibrer och applicerade varierande spänningar på en elektrolytlösning. Initialt, under positiv spänning, binder nitratjoner till katalytorytan, passiverar den och främjar nitritjonbildning samtidigt som omvandling till metalliskt koppar förhindras. När spänningen skiftar till mer negativ uppstår metalliska kopparpartiklar, markerade av ökade koppar-kopparbindningar, vilket sammanfaller med en skarp ökning av ammoniakproduktion.
Detta metalliska koppar underlättar väteaddition till nitritjoner och driver reaktionen mot ammoniak. Studien visar att ytpasivering och in situ kopparbildning är avgörande för katalysatorns prestanda i denna process. Publicerat i ChemSusChem 2025, arbetet av Rizki Marcony Surya, Surya Pratap Singh, Kosuke Beppu och Fumiaki Amano (DOI: 10.1002/cssc.202501785) föreslår strategier för att utforma effektivare elektrokemiska katalysatorer, vilket potentiellt minskar ammoniaksyntesens miljöpåverkan och stöder grönare industriell kemi.