Химики из Японии и Китая разработали катализатор на основе меди и кобальта, который самопроизвольно перестраивается во время электрохимического восстановления нитратов. Такая реконструкция структуры обеспечила высокую эффективность получения аммиака: фарадеевская эффективность достигла 95,4%. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Science. Об этом пишет сайт N + 1.
Электрохимическое превращение нитратов полезно вдвойне: параллельно с очисткой загрязнённой воды удаётся получать аммиак в мягких условиях, не прибегая к энергоёмкому процессу Габера — Боша. Медные катализаторы давно считаются перспективными для этой задачи, однако их поведение в реакции оставалось неясным. Ионы меди меняли степень окисления, медь плохо удерживала промежуточные вещества и медленно расщепляла воду.
Специалисты во главе с Такеши Фудзитой из Кочинского технологического университета решили добавить к оксиду меди оксид кобальта в количестве от 10 до 50 мольных процентов. В серии катализаторов CuO/CoOX кобальтовая фаза должна была усиливать генерацию активного водорода, а медная — обеспечивать захват нитратов и их последовательное восстановление.
Катализаторы проверили в электрохимической ячейке и сравнили с образцами, содержащими только медь либо только кобальт. Процесс контролировали с помощью спектроскопии in situ — рамановской, инфракрасной и электрон-парамагнитной, а структуру до и после реакции изучали на электронном микроскопе. Дополнительно выполнили квантово-химические расчёты.
Самым эффективным оказался катализатор с 10 мольными процентами кобальта (Co:Cu = 1:9). Повышение доли кобальта усиливало конкурирующее выделение молекулярного водорода и тормозило синтез аммиака. В ходе электролиза исходный Co1Cu9OX перестраивался: на поверхности формировались металлическая медь Cu(0), оксид кобальта и богатые гидроксильными группами соединения Cu(I) и Cu(II). Эта реконструкция ускоряла адсорбцию нитратов и стабилизировала промежуточные продукты, а выход аммиака достиг 54,68 мг в час на мг катализатора.