Аммиак, соединение, впервые синтезированное около века назад, имеет десятки современных применений и стал незаменимым в производстве удобрения, которое сейчас поддерживает большую часть нашего мирового производства продуктов питания.
Но хотя мы производим аммиак в больших масштабах с 1930-х годов, это достигается в основном на огромных химических заводах, требующих огромного количества газообразного водорода из ископаемого топлива, что делает аммиак одним из самых энергоемких среди всех химикаты большого объема.
Пара исследователей из Университета Кейс Вестерн Резерв - один специалист по электрохимическому синтезу, другой по применению плазмы - работают над устранением этого.
Исследователи Джули Реннер и Мохан Санкаран придумали новый способ получения аммиака из азота и воды при низкой температуре и низком давлении. До сих пор они успешно делали это в лаборатории без использования водорода или твердого металлического катализатора, необходимого в традиционных процессах.
«Наш подход - электролитический процесс с плазмой - совершенно новый», - сказал Мохан Санкаран, профессор инженерных инноваций Гудрича в инженерной школе Кейс.
Плазма, которую часто называют четвертым состоянием вещества (помимо твердого, жидкого или газообразного), представляет собой ионизированные газовые облака, состоящие из положительных ионов и свободных электронов, которые придают ей уникальную способность активировать химические связи., включая довольно сложную молекулу азота, при комнатной температуре.
Реннер, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии Climo, добавил, что, поскольку этот новый процесс не требует высокого давления, высокой температуры или водорода, он делает его масштабируемым - «идеальная технология для завод гораздо меньшего размера с большим потенциалом для работы на возобновляемых источниках энергии."
Результаты их двухлетнего сотрудничества были опубликованы в этом месяце в журнале Science Advances.
Урок истории: процесс Габера-Боша
Практически весь коммерческий аммиак производится из азота и водорода с использованием железного катализатора при высокой температуре и давлении.
Немецкий физико-химик Фриц Габер получил Нобелевскую премию по химии в 1918 году за разработку этого процесса, который сделал производство аммиака экономически целесообразным.
Но процесс стал более экономически выгодным, когда промышленный химик Карл Бош (который также получил Нобелевскую премию в 1931 году) внедрил этот метод в крупномасштабную систему. Дальнейшему развитию процесса способствовала вторая инновация: разработка паровой конверсии метана, которая сделала водород более доступным и менее дорогим.
Итак, то, что стало известно как процесс Габера-Боша, стало глобальным методом фиксации азота и водорода для производства аммиака.
Но Габер-Бош никогда не был единственным подходом к фиксации азота, это был просто победитель рубежа веков.
Возрождается новый, старый метод
Реннер и Санкаран воскресили элемент из малоизвестного норвежского метода, предшествовавшего методу Хабера-Боша (процесс Биркеланда-Эйде), в котором азот и кислород реагировали с образованием нитратов, еще одного химического вещества, которое можно использовать в сельском хозяйстве. Этот процесс проиграл Хаберу-Бошу в основном потому, что требовал еще больше энергии в виде электричества, ограниченного ресурса в начале 20-го века.
«Наш подход аналогичен электролитическому синтезу аммиака, который вызвал интерес как альтернатива Haber-Bosch, поскольку его можно интегрировать с возобновляемыми источниками энергии», - сказал Санкаран. «Однако, как и в процессе Биркеланда-Эйде, мы используем плазму, которая является энергоемкой. Электричество по-прежнему является барьером, но в меньшей степени сейчас, а с увеличением количества возобновляемых источников энергии оно может вообще не быть барьером в будущем.
"И, возможно, самое главное, наш процесс не производит газообразный водород", сказал он. «Это было основным узким местом других электролитических подходов к образованию аммиака из воды (и азота), нежелательного образования водорода».
В процессе Реннера-Санкарана также не используется твердый металлический катализатор, который может быть одной из причин получения аммиака вместо водорода.
«В нашей системе аммиак образуется на границе раздела газовой плазмы и жидкой поверхности воды и свободно образуется в растворе», - сказал Шанкаран.
До сих пор «столовые партии» аммиака, производимые дуэтом, были очень малы, а энергоэффективность все еще меньше, чем у Haber-Bosch. Но при постоянной оптимизации их открытие и разработка нового процесса может когда-нибудь привести к созданию более мелких и локализованных установок по производству аммиака, использующих экологически чистую энергию.