Почему железо превращает свет в аммиак, а хром — нет
Два почти одинаковых материала ведут себя по-разному в химических реакциях. Ученые из Венского университета и TU Wien выяснили, почему катализаторы с треугольниками из трех атомов железа под действием солнечного света производят аммиак, а с атомами хрома — нет. Результаты опубликованы в журнале ACS Energy Letters. Данную информацию сообщает портал Phys.org.
Аммиак необходим для производства удобрений, но его промышленное получение требует высоких температур и давления. Фотокатализаторы — новые материалы, которые поглощают солнечный свет и используют его энергию для превращения азота в аммиак. Исследователи изучали структуру MOF MIL-101, где на каждом узле три атома металла расположены треугольником вокруг центрального атома кислорода.
Ключевую роль играет магнитное свойство атомов — спин. В треугольнике из трех атомов железа возникает «магнитная фрустрация»: первые два атома могут быть направлены противоположно, а третий — нет. Это похоже на ситуацию, когда три человека за столом хотят сидеть напротив друг друга: двое могут смотреть друг другу в глаза, а третий — нет.
У хрома два атома связываются сильнее, образуя пару, а третий присоединяется слабее. Из-за этого хром связывает азот слишком сильно, не давая ему высвободиться, и катализатор перестает работать. Железо же связывает азот умеренно — достаточно сильно, чтобы удержать его и превратить в аммиак, но достаточно слабо, чтобы отпустить.
«Магнитный отпечаток — важный ключ к пониманию работы этих материалов как катализаторов», — отмечает Летисия Гонсалес из Венского университета. Это шаг к энергосберегающему производству аммиака.
