Аммиак - бесцветный газ, необходимый для таких вещей, как удобрения, - может быть получен с помощью нового процесса, который намного чище, проще и дешевле, чем нынешний ведущий метод. Исследователи UTokyo используют легкодоступное лабораторное оборудование, перерабатываемые химические вещества и минимум энергии для производства аммиака. Их процесс производства аммиака самария-вода (SWAP) обещает сократить производство аммиака и улучшить доступ к аммиачным удобрениям для фермеров во всем мире.
В 1900 году население мира составляло менее 2 миллиардов человек, тогда как в 2019 году оно превысило 7 миллиардов. Этот демографический взрыв был частично вызван быстрым прогрессом в производстве продуктов питания, в частности, широким использованием удобрений на основе аммиака. Источником этого аммиака был процесс Габера-Боша, и, хотя некоторые говорят, что это одно из самых значительных достижений всех времен, оно дорого обходится.
Процесс Габера-Боша преобразует только 10 процентов исходного материала за цикл, поэтому его необходимо запускать несколько раз, чтобы использовать все. Одним из таких исходных материалов является водород (H2), полученный с использованием ископаемого топлива. Он химически соединяется с азотом (N2) при температуре около 400-600 градусов Цельсия и давлении около 100-200 атмосфер, что также требует больших затрат энергии. Профессор Ёсиаки Нишибаяши и его команда из Департамента системных инноваций Токийского университета надеются улучшить ситуацию с помощью процесса SWAP.
«Во всем мире процесс Габера-Боша потребляет от 3 до 5 процентов всего добываемого природного газа, что составляет около 1 или 2 процентов всего мирового энергоснабжения», - пояснил Нишибаяши.«Напротив, у бобовых растений есть симбиотические азотфиксирующие бактерии, которые производят аммиак при атмосферных температурах и давлении. Мы выделили этот механизм и реконструировали его функциональный компонент - нитрогеназу».
На протяжении многих лет Нишибаяши и его команда использовали изготовленные в лаборатории катализаторы, чтобы попытаться воспроизвести поведение нитрогеназы. Другие пытались, но их катализаторы производят только от десятков до нескольких сотен молекул аммиака до истечения срока их действия. Специальный катализатор Nishibayashi на основе молибдена производит 4350 молекул аммиака примерно за четыре часа до истечения срока годности.
"Наш процесс SWAP создает аммиак в 300-500 раз быстрее, чем процесс Габера-Боша, и с эффективностью 90%", - продолжил Нишибаяси. «Примите во внимание колоссальную экономию энергии в процессе производства и поиске сырья, и вы действительно увидите преимущества».
Любой, у кого есть надлежащие исходные материалы, может выполнить SWAP в настольной химической лаборатории, в то время как для процесса Габера-Боша требуется крупномасштабное промышленное оборудование. Это могло бы предоставить доступ тем, у кого нет капитала, чтобы инвестировать в такое крупное и дорогое оборудование. Само сырье дает огромную экономию с точки зрения затрат и энергии.
«Сильная мотивация заключалась в том, чтобы сделать процесс SWAP возможным в настольном масштабе. Я надеюсь, что этот процесс демократизирует производство удобрений», - сказал Нишибаяши. «Таким образом, речь идет не только о первоначальных затратах, но и о постоянной стоимости и экономии энергии, связанной с сырьем. Моя команда предлагает эту идею, чтобы помочь сельскохозяйственным практикам в местах, которые больше всего в этом нуждаются».
SWAP поглощает азот (N2) из воздуха, как это делает процесс Габера-Боша, но специальный катализатор на основе молибдена объединяет его с протонами (H+) из воды и электронами (e-) из самария (SmI2). Самарий, также известный как реагент Кагана, в настоящее время добывается и используется в процессе SWAP. Однако самарий можно переработать с помощью электричества, чтобы восполнить потерянные электроны, и исследователи стремятся использовать для этого дешевые возобновляемые источники в будущем.
«Я был приятно удивлен, когда мы обнаружили, что источником протонов может служить нечто настолько обычное, как вода; обычно молибденовый катализатор этого не позволяет, но наш особенный», - заключил Нишибаяси. «Это первая искусственная реакция фиксации азота, которая достигает скорости, близкой к той, которую мы наблюдаем в природе, производящей нитрогеназу. И, как и естественный процесс, она тоже пассивна, поэтому лучше для окружающей среды. великая польза для человечества."