Převratný objev: Solární katalyzátor z Vídně slibuje ekologickou výrobu amoniaku pro hnojiva

Vědci z Technické univerzity ve Vídni (TU Wien) představili inovativní design katalyzátoru, který by mohl zásadně změnit výrobu amoniaku. Jejich metoda využívá sluneční světlo, vodu, vzduch a speciální kovově-organické katalyzátory k syntéze amoniaku za mírných podmínek.

Vědci z Technické univerzity ve Vídni (TU Wien) představili inovativní design katalyzátoru, který by mohl zásadně změnit výrobu amoniaku. Jejich metoda využívá sluneční světlo, vodu, vzduch a speciální kovově-organické katalyzátory k syntéze amoniaku za mírných podmínek. Tento objev je klíčový, neboť současný Haberův-Boschův proces, který je starší než sto let a je nezbytný pro výrobu většiny syntetických hnojiv, je extrémně energeticky náročný a zodpovídá za přibližně 1,2 % celosvětových emisí skleníkových plynů. Polovina světové produkce potravin je dnes závislá na hnojivech odvozených z amoniaku, což z Haberova-Boschova procesu činí jednu z nejdůležitějších průmyslových inovací v historii lidstva, avšak s významnými ekologickými náklady.

Výzkumníci vyvinuli udržitelnou alternativu k syntéze amoniaku pomocí kovově-organických struktur (MOF) jako katalyzátorů. Tým z TU Wien nyní prokázal, že struktury MOF lze specificky ladit tak, aby modulovaly svůj katalytický výkon. To poskytuje cenné poznatky pro návrh účinnějších a udržitelnějších technologií pro výrobu amoniaku. Projekt byl realizován ve spolupráci s mezinárodními týmy, přičemž důležitá měření pocházela z Virginia Tech v USA a počítačové simulace byly provedeny na Technion – Izraelském technologickém institutu. Studie byla publikována v časopise Journal of the American Chemical Society.

„Musíme prolomit jednu z nejsilnějších vazeb v chemii,“ vysvětluje Jana Bischoff z Institutu materiálové chemie na TU Wien a první autorka studie. Vzdušný dusík existuje jako molekuly N₂, ve kterých jsou dva atomy dusíku spojeny extrémně stabilní trojnou vazbou. Pro výrobu amoniaku (NH₃) musí být tato molekula N₂ nejprve aktivována, aby mohly atomy dusíku reagovat s vodíkem. Haberův-Boschův proces dosahuje tohoto cíle za tlaků nad 150 barů a teplot nejméně 400 °C, což jej činí vysoce energeticky náročným.

Alternativní cesta spočívá ve využití pečlivě navržených katalyzátorů, inspirovaných přírodou. Některé bakterie používají enzym nitrogenázu, který obsahuje železo a dokáže vázat molekuly dusíku a přeměňovat je za mírných podmínek. Podobného efektu lze dosáhnout s kovově-organickými strukturami (MOF). Tyto porézní materiály spojují kovové ionty se specifickými organickými sloučeninami do větší struktury. „Stejně jako v přírodní nitrogenáze používáme i v našich kovově-organických strukturách železo – kov, který je relativně levný a snadno dostupný,“ říká Dr. Cornelia Baeckmann z TU Wien. „Klíčovou otázkou našeho výzkumu bylo: Jak můžeme přizpůsobit organické ligandy tak, aby materiál dokázal produkovat amoniak?“