Vodja projekta: dr. Matej Huš

Cilj projekta je izboljšati sintezo amoniaka kot eno najbolj energetsko potratnih reakcij z uporabo fotokatalizatorjev nanodelcev, ki jih povzročajo plazmoni. Takšen pristop (1) izkorišča sončno energijo, (2) skupaj porabi manj energije (sprememba reakcijskega mehanizma) in (3) nadomesti H₂ z vodo kot surovino. Zmožnost proizvodnje NH3 iz lahko dostopnih surovin – H₂ in N₂ – je omogočila eksplozijo prebivalstva in tehnološki razcvet 20. stoletja. V preteklosti so amonijak proizvajali s suho destilacijo rastlinskih in živalskih proizvodov iz nitratov in amonijevih soli, kar je bilo drago in v omejenem obsegu. Danes se s stoletnim Haber‐Boschevim procesom letno proizvede 235 Mt amoniaka, pri čemer se porabi 1,8 % svetovne energije in proizvede 500 Mt emisij CO₂. Več kot 88 % NH₃ se uporablja kot gnojilo, ki dobesedno nahrani svet. Poleg tega se uporablja kot pomemben predhodnik v kemični industriji (proizvodnja sečnine, fenolov, aminokislin, akrilonitrila, hidrazina, eksplozivov itd.), kot čistilno in protimikrobno sredstvo ter v nišnih aplikacijah (dvižni plin, obdelava lesa, tekstil zdravljenje, stimulans). NH3 ni mogoče nadomestiti. Skoraj vsa proizvodnja NH₃ v EU uporablja zemeljski plin iz fosilnih goriv kot surovino za H₂. Čeprav je to manj energetsko potraten kot stari postopek proizvodnje H₂ iz premoga, še vedno ni trajnosten. Uporaba obnovljivih virov električne energije (sonca, vetra) za proizvodnjo H₂ iz hidrolize vode bi povečala porabo električne energije in ne more biti trajnostna rešitev. Poleg tega to ne obravnava osnovne težave: reakcija med H₂ in N₂ še vedno zahteva izjemno visoke temperature in pritisk. Postopek Haber‐Bosch je ostal v bistvu enak od svojega odkritja leta 1910. Tradicionalni katalizatorji temeljijo na železu, imajo zapleteno sestavo in se proizvajajo po dovršenem postopku (Ca, K, Al, Si promovirani magnetiti železovega oksida). Katalizatorji druge generacije so na osnovi rutenija, podprti z oksidi (MgO, Al₂O₃), ki jih pesti Ru kot draga kritična surovina. Poleg tega je stari proces termokatalitski, ki zahteva visoke temperature (400–500 °C) in pritiske (80–300 atm) zaradi dveh nasprotujočih si omejitev. Termodinamično prednostne nizke temperature so kinetično neuporabne (visoka aktivacijska pregrada); pri visokih temperaturah se ravnovesje premakne stran od NH₃ (Le Chatelierjev princip). Termokatalitični procesi, izpopolnjeni v preteklem stoletju, nimajo veliko prostora za izboljšave. Ker podnebne spremembe zahtevajo optimizacijo energetsko najbolj potratnih proizvodnih procesov, so potrebni novi katalitični pristopi. Plazmonična fotokataliza je potencialna alternativa, če lahko optimiziramo material katalizatorja, obliko/velikost delcev, obsevanje, pogoje. Te je zdaj mogoče predvideti, saj je razpoložljiva računalniška moč dosegla ravni, ki omogočajo atomistične simulacije kemijskih reakcij, kinetično modeliranje katalizatorjev in dinamične opise reaktorjev. Ta nova katalitična pot bo odklenjena z edinstvenim pristopom. Namesto testiranja katalizatorjev/pogojev s poskusi in napakami bomo uporabili večstopenjsko modeliranje za razumevanje, opisovanje, napovedovanje in simulacijo učinka oblike/velikosti nanodelcev, struktur jedro‐lupina in pogojev/obsevanja na katalizatorje Au/Ru. Glavni cilj projekta je vzpostaviti novo paradigmo plazmonične katalize z zagotavljanjem temeljnega razumevanja, ki se bo uporabljalo za ciljanje pregledovanje potencialnih katalizatorskih materialov za proizvodnjo amoniaka s pomočjo prvostopenjskega modeliranja s pomočjo strojnega učenja. Razumevanje plazmonične fotokatalize za sintezo amoniaka je ključnega pomena za obravnavo vprašanj z velikim predvidenim vplivom na naše okolje, zdravje in blaginjo posameznikov in družbe.

Projekt financira ARIS v okviru cenovne kategorije C za obdobje 2 let v obsegu 1086 letnimi urami. Pričetek financiranja je 1. 4. 2023

Kemijski inštitut in Zveza za tehnično kulturo Slovenije (ZOTKS)