Amoniak (NH3) je velice důležitá chemikálie, vyrábí se v obrovských množstvích, ale bohužel syntéza je velmi energeticky náročná. Nedávno byla publikována studie, která využívá fotokatalyzátory Ru/TiO2 a Fe/TiO2 pro syntézu amoniaku z prvků za normálního tlaku.
Amoniak se využívá především pro výrobu dusíkatých hnojiv (asi 80 %), čistidel nebo trhavin, jako chladivo (R717) a pro další účely. Může se stát také důležitým prvkem vodíkového hospodářství, dokáže uskladnit výrazně větší množství vodíku než je v kapalném vodíku.[3]
Výroba amoniaku
Energetická náročnost syntézy amoniaku je dána vysokou inertností vstupních surovin. Aby reakce proběhla, je nutné disociovat vazby N≡N a H-H, což je bez účasti katalyzátoru velice náročné. V současné době (2024) se využívá Haberova-Boschova syntéza, kde jako katalyzátor vystupují částice složené z železa a jeho oxidů (Fe/FeO/Fe3O4). Rozdíl v energii přímé a katalyzované reakční cesty je zobrazen dole:
Tento proces ale stále vyžaduje vysoké teploty a tlaky (400-500 °C, 15-25 MPa) a tím i vykazuje velkou spotřebu energie. Podle statistik je výroba amoniaku odpovědná za spotřebu 2 % elektrické energie a produkuje obrovská množství CO2 (asi 2,4 tuny CO2 na tunu NH3).[2]
Nové katalyzátory
Nové katalyzátory byly připraveny smísením suspenze oxidu titaničitého (TiO2) s roztokem hydrátu chloridu ruthenitého (RuCl3.xH2O) nebo nonahydrátu dusičnanu železitého (Fe(NO3)3.9H2O). Voda byla odpařena za laboratorní teploty a získaná pevná látka byla sušena při 100 °C a poté redukována v proudu vodíku při teplotě 500 °C po dobu jedné hodiny.
Vlastní katalýza byla testována v reaktoru, kde byla nasypána vrstva katalyzátoru a byl temperován na teplotu 200–350 °C. Přes katalyzátor byla vedena směs H2/N2 (3:1, v/v) a reaktor byl ozařován UV-LED (λ = 365 nm; 365 mW.cm-2). Vzniklý amoniak byl zaváděn do roztoku kyseliny sírové, který byl průběžně vzorkován a analyzován.
Bylo studováno několik katalyzátorů lišících se obsahem ruthenia/železa za různých podmínek. Jako nejlepší se ukázal katalyzátor Ru/TiO2 při teplotě 350 °C a UV-A záření. Rychlost vzniku amoniaku byla stanovena na 93 µmol.g-1.h-1. Katalyzátor Fe/TiO2 vykazoval vyšší stabilitu.