Proyección operando de la química de la superficie durante el proceso Haber-Bosch

Área de la Ciencia:

• Ciencias de la catálisis
• Química de las superficies
• Ingeniería química

Sus antecedentes:

• El proceso de Haber-Bosch es crucial para la síntesis de amoníaco (NH3), esencial para la producción de fertilizantes.
• Los mecanismos catalíticos exactos y los pasos que limitan la velocidad de los catalizadores de Fe y Ru siguen siendo objeto de debate debido a las duras condiciones de funcionamiento.
• Los estudios mecanicistas anteriores a menudo se limitaban a cálculos teóricos o análisis de superficie basados en el vacío.

Objetivo del estudio:

• Investigar la composición superficial y los estados químicos de los catalizadores de Fe y Ru durante la síntesis de amoníaco en condiciones operando.
• Para aclarar los pasos de limitación de velocidad en el proceso de Haber-Bosch tanto para los catalizadores de Fe como de Ru.
• Conciliar las observaciones experimentales con las predicciones teóricas sobre los mecanismos catalíticos.

Principales métodos:

• Se utilizó la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) adaptada para las investigaciones operando.
• Los catalizadores de Fe y Ru estudiados a presiones de hasta 1 bar y temperaturas de hasta 723 K.
• Análisis de la composición de la superficie, los estados químicos y las cubiertas de adsorbentes.

Principales resultados:

• Ambos catalizadores de Fe y Ru permanecieron metálicos en condiciones de reacción.
• Los catalizadores Ru mostraron una cobertura mínima de adsorbados, indicando la disociación de N2 como el paso consistente que limita la velocidad.
• Los catalizadores de Fe retienen el nitrógeno adsorbido y desarrollan una cobertura significativa de aminas (NHx) a temperaturas más bajas, lo que sugiere un cambio en la etapa de limitación de la velocidad.

Conclusiones:

• El paso limitador de velocidad para la síntesis de amoníaco difiere entre los catalizadores de Fe y Ru.
• En Ru, la disociación de N2 es siempre el paso que limita la velocidad.
• En Fe, el paso que limita la velocidad cambia de la disociación de N2 a la hidrogenación de las especies de superficie a temperaturas más bajas, alineándose con las predicciones teóricas.