Yaponiya va Xitoy tadqiqotchilari nitratlarni elektrokimyoviy qaytarish jarayonida o'z tuzilishini mustaqil o'zgartira oladigan mis-kobalt katalizator yaratdilar. Bu qayta tiklanish qobiliyati nitratlardan ammiak olishda yuqori samaradorlikka erishish uchun hal qiluvchi omil bo'ldi, shu bilan birga faradey samaradorligi 95,4 foizni tashkil etdi. Ushbu ish natijalari Advanced Science nashrida e'lon qilindi.
Nitratlarni elektrokimyoviy qaytarish jarayoni ikki tomonlama foydalidir: u iflos suvni tozalash va yumshoq sharoitlarda ammiak ishlab chiqarish imkonini beradi, bu esa an'anaviy energiya talab qiladigan Haber-Bosch usulidan qochishni ta'minlaydi. Mis birikmalari bunday vazifalar uchun istiqbolli katalizatorlar hisoblanadi, chunki ularning elektron tuzilishi nitratlarni osongina bog'lanishiga va qaytarilishiga yordam beradi. Biroq, misdan foydalanish qiyinchiliklarni keltirib chiqaradi: olimlar mis ionlarining oksidlanish darajasining doimiy o'zgarishini qayd etishgan, ammo bu o'zgarishlarning roli noaniq qolgan. Bundan tashqari, mis suvni vodorodga yetarli darajada ajratmaydi va ba'zi reaksiya vositachisi mahsulotlarini zaif ushlab turadi, bu esa ammiak sintezini sekinlashtiradi.
Yaponiya va Xitoy kimyogorlarining Takashi Fujita boshchiligidagi Kouchin texnologiya universiteti jamoasi bu muammolarni hal qila oldi. Ular mis oksidi moddasini kobalt oksidi bilan 10 dan 50 mol foizgacha qo'shish orqali modifikatsiya qilishdi, bu esa CuO/CoOX turidagi katalizatorlar seriyasini olishga imkon berdi. Taxmin qilinganidek, kobalt komponenti faol vodorod zarrachalarining hosil bo'lishiga yordam berishi, mis esa azotli birikmalarni bog'lash va ketma-ket qaytarishni ta'minlashi kerak edi.
Katalizatorlar nitratlarni qaytarish uchun elektrokimyoviy hujayrada sinovdan o'tkazildi, keyin ular faqat mis yoki faqat kobaltni o'z ichiga olgan katalizatorlar bilan solishtirildi. Reaksiya paytida tuzilishdagi o'zgarishlar in situ Raman, infraqizil va elektron-paramagnit spektroskopiya usullari yordamida kuzatildi. Katalizatorlar reaksiya oldi va keyin elektron mikroskop yordamida o'rganildi, shuningdek, kvant-kimyoviy hisob-kitoblar bajarildi.
Eng yaxshi ko'rsatkichlarni 10 mol foiz kobalt miqdori (Co:Cu = 1:9) bo'lgan katalizator namoyish etdi. Kobalt ulushini yanada oshirish bilan molekulyar vodorod ajralib chiqishining raqobatdosh reaksiyasi kuchaydi, bu esa ammiak hosil bo'lishini sekinlashtiradi.
Dastlabki Co1Cu9OX katalizatori vaqt o'tishi bilan transformatsiya bo'lib, yangi funksional tuzilmani hosil qilishi aniqlandi. Bu tuzilma metallik mis Cu (0), kobalt oksidi, shuningdek, sirtida gidroksil guruhlari bilan boyitilgan oksidlangan mis birikmalari Cu (I) va Cu (II) ni o'z ichiga oladi. Bunday qayta tuzilish mis ustida nitratlarni tezroq bog'lanishiga va vositachisi mahsulotlarni barqarorlashtirishga yordam berdi. Bundan tashqari, misning yaqinligi hosil bo'lgan vodorod zarrachalarining azot bilan darhol o'zaro ta'sir qilishiga imkon berdi. Ushbu rekonstruksiya tufayli ammiak hosili katalizator milligramiga soatiga 54,68 milligrammgacha yetdi, bu shu sharoitlarda 35 milligramm/soat/milligram bergan mis katalizatorining ko'rsatkichidan sezilarli darajada yuqori.
Shunday qilib, Fujita va uning jamoasi katalizator samaradorligi nafaqat uning dastlabki tarkibiga, balki reaksiya davomida uning yuzasining spontan ravishda qayta tuzilish qobiliyatiga ham bog'liqligini isbotladi. Mualliflar protokatalizator konsepsiyasini taqdim etishdi — bu ishlatish jarayonida eng faol konfiguratsiyani o'zi shakllantiradigan material. Bu yondashuv turli elektrokimyoviy jarayonlar uchun heterostrukturaviy katalizatorlarni ishlab chiqish asos bo'lishi mumkin.
Yaponiya olimlari iridiy katalizatordan foydalanib, kompozit materiallardan poliuretaning tanlab olinish usulini ishlab chiqdilar. Bu usul aynan poliuretaning buzilishiga imkon beradi, poliester va poliamid kabi boshqa polimerlarni bekor qoldiradi, bu esa sport kiyimlarini o'z ichiga olgan aralash chiqindilarni kimyoviy qayta ishlashni soddalashtirish uchun istiqbollarni ochadi.
Hozirda barcha plastik chiqindilarning 12 foizidan kamlari qayta ishlanmoqda. Ayniqsa, xizmatga kirish kiyimlarining va sport kiyimlarining materiallari kabi aralash plastik chiqindilar murakkabdir, ular ko'pincha elastan (poliuretan), poliester (polietilentereftalat) va neylon (poliamid) kombinatsiyasidan tashkil topgan. Ushbu polimerlar turli qayta ishlash usullarini talab qilgani va o'zaro bog'langan tolalarni ajratish deyarli imkonsizligi sababli, bunday kiyimlar rivojlangan qayta ishlash infratuzilmasiga ega mamlakatlarda ko'pincha depo yoki yoqilg'i sifatida yuboriladi.
Toshikogawa Universitetining Kioko Nozaki jamoasi noyob yechim taklif qildi. Olimlar vodoroddan foydalangan holda polimer zanjirlarini parchalash bo'lgan gidrogenoliz texnologiyasini qo'lladilar, bu jarayon maxsus katalizator ustida faollashtirilgan vodorod bilan amalga oshiriladi. Poliuretanga nisbatan selektivlikka erishish uchun turli asoslar bilan birga iridiy katalizator sinovdan o'tkazildi. Zaif asoslar yetarli katalitik ta'sir bermaganligi aniqlandi, ammo kuchli asoslar nafaqat poliuretaning parchalanishiga, balki istalmagan esterifikatsiya yon reaksiyasiga ham olib keldi. Optimal tanlov kaliy tsianozashgan fenolat bo'ldi, u yon jarayonlarni samarali bostirdi, shu bilan birga poliuretan uchun katalizatorning yuqori faolligini saqlab qoldi.
Shartlarni nozik sozlagandan so'ng, Nozaki va uning xodimlari usulni haqiqiy materiallarda tekshirdilar. 88% poliester va 12% elastan mavjud bo'lgan sport ko'ylagi matosini ishlatganda, ular poliuretan komponentini deyarli to'liq olib tashlashga muvaffaq bo'lishdi, shu bilan birga poliester tuzilishi o'zgarmas qoldi. Gaz xromatografiyasi usuli bilan tahlil poliuretan parchalanish mahsulotlarining mavjudligini tasdiqladi, ammo poliester monomerlaridan biri bo'lgan etilen glikol hatto iz miqdorda ham mavjud emas edi, bu poliesterning parchalanishi yo'qligini ko'rsatdi. Elastan va neylon aralashilgan matolar hamda poliuretan va polietilentereftalatdan tayyorlangan oshxona spugnalari sinovdan o'tirilganda shunga o'xshash ijobiy natijalar olingan.
Kelajakda tadqiqotchilar poliuretan parchalanishi natijasida hosil bo'lgan mahsulotlarni samarali ajratib olishga, shuningdek, butun jarayonni kengaytirishga e'tibor qaratishni nazarda tutmoqdalar. Ushbu vazifalarni muvaffaqiyatli amalga oshirish selektiv gidrogenolizni aralash plastmassalarni kimyoviy qayta ishlash uchun yangi, istiqbolli strategiyaga aylantirishi mumkin.
