Исследователи из Университета Нотр-Дам разрабатывают подход к использованию возобновляемых источников энергии для синтеза аммиака, важного компонента удобрений, которые удовлетворяют потребности мирового производства продуктов питания. Процесс Габера-Боша, разработанный в начале 1900-х годов для производства аммиака, основан на использовании невозобновляемых ископаемых видов топлива и имеет ограниченное применение только на крупных централизованных химических заводах.
Новый процесс, опубликованный в журнале Nature Catalysis, использует плазму - ионизированный газ - в сочетании с катализаторами, не содержащими благородных металлов, для производства аммиака в гораздо более мягких условиях, чем это возможно с Haber-Bosch. Энергия плазмы возбуждает молекулы азота, одного из двух компонентов, входящих в состав аммиака, что позволяет им легче реагировать на катализаторы. Поскольку энергия для реакции поступает из плазмы, а не из высокой температуры и сильного давления, процесс можно проводить в небольших масштабах. Это делает новый процесс подходящим для использования с непостоянными возобновляемыми источниками энергии и для распределенного производства аммиака.
«Многие рассматривали плазму как способ производства аммиака, который не зависит от ископаемого топлива и может применяться менее централизованно», - сказали Уильям Шнайдер, Х. Клиффорд и Эвелин А. Brosey, профессор инженерии, аффилированный член ND Energy и соавтор исследования. «Настоящая задача заключалась в том, чтобы найти правильное сочетание плазмы и катализатора. Объединив молекулярные модели с результатами в лаборатории, мы смогли сосредоточиться на комбинациях, которые никогда раньше не рассматривались."
Исследовательская группа под руководством Шнайдера; Дэвид Го, адъюнкт-профессор семьи Руни в области аэрокосмической техники и машиностроения; и Джейсон Хикс, адъюнкт-профессор химической и биомолекулярной инженерии, обнаружил, что, поскольку молекулы азота активируются плазмой, требования к металлическим катализаторам менее строгие, что позволяет использовать менее дорогие материалы на протяжении всего процесса. Этот подход преодолевает фундаментальные ограничения процесса Габера-Боша, управляемого теплом, позволяя проводить реакцию со скоростью Габера-Боша в гораздо более мягких условиях.
Целью нашей работы была разработка альтернативного подхода к производству аммиака, но идеи, полученные в результате этого сотрудничества между нашими исследовательскими группами, могут быть применены к другим сложным химическим процессам, таким как преобразование углекислого газа в менее вредный и более полезный продукт. Продолжая изучать плазменно-аммиачный синтез, мы также рассмотрим, как еще плазма и катализаторы могут принести пользу другим химическим превращениям», - сказал Хикс.