Аммиак (NH3) является одним из наиболее широко производимых химикатов с мировым объемом производства 170 мегатонн в год. Это ключевой ингредиент в производстве удобрений, и поэтому он играет решающую роль в поддержании жизни населения мира. Однако более 1 процента мировой энергии расходуется на производство аммиака NH3, которое включает реакцию диазота N2 (из воздуха) и диводород, H2, посредством процесса Габера-Боша.
Хотя в промышленности произошли некоторые прорывы с точки зрения эффективности, атомы водорода в аммиаке получены из ископаемого топлива, метана (CH4) и двуокиси углерода (CO). 2) производится как побочный продукт. Другими словами, процесс Габера-Боша неустойчив. Кроме того, он требует высоких температур и давлений, а это означает, что его можно производить только в крупных централизованных реакторах, вдали от точки потребления. Следовательно, логистические проблемы и проблемы безопасности при транспортировке аммиака, который является одновременно токсичным и коррозионным, не позволяют многим потенциальным пользователям использовать его, особенно в развивающихся странах.
В течение многих лет ученые усердно работали над поиском альтернативного электрохимического метода синтеза аммиака, который мог бы питаться от возобновляемых источников энергии и производиться локально, в месте использования. Прежде чем процесс станет масштабируемым и прибыльным, необходимо решить серьезные проблемы - как научные, так и технические.
Экспериментальные исследования - до сих пор - не смогли сравниться с эффективностью доминирующего процесса Габера-Боша. Более того, многие из этих исследований не исключают загрязнения из-за аммиака или других азотсодержащих соединений, уже присутствующих в воздухе, человеческом дыхании, ионопроводящих мембранах или даже самом катализаторе.
В новом исследовании в журнале Nature, проведенном международной группой ученых из Датского технического университета (DTU), Стэнфордского университета и Имперского колледжа Лондона, освещается этот вопрос.
Синтез аммиака с помощью электрохимических процессов вызывает огромный интерес не только со стороны академических исследователей, но также со стороны промышленности и правительства. Этот интерес обусловлен необходимостью сделать производство аммиака менее зависимым от ископаемого топлива. Однако, многие академические группы не могут доказать, что аммиак действительно получен из молекулы N2. Отчасти это происходит из-за очень небольшого количества образующегося аммиака, что делает даже небольшое загрязнение ложным положительный», - говорит доцент Якоб Кибсгаард из DTU.
Протокол, предложенный учеными, использует азот-15 (15N2), изотоп, который позволяет им обнаруживать и количественно определять электровосстановление N2. в аммиак. С помощью этого метода они могут отделить эффекты ложного загрязнения от истинного снижения N2.
Если электрохимические процессы станут более эффективными, изотопная маркировка перестанет быть проблемой, так как мы будем производить больше аммиака. Тем не менее, в настоящее время у нас есть исследования, которые не соответствуют даже самых основных протоколов, чтобы гарантировать достоверность результатов», - говорит старший преподаватель Ифан Э. Л. Стивенс в Имперском колледже Лондона.
Используя свой протокол, ученые доказали, что метод, описанный в 1993 году другой группой ученых (из Токийского технологического института), однозначно дает аммиак, полученный из N2 В то время как многие исследования нуждаются в переоценке, текущий результат является значительным, поскольку он показывает, что электрохимическое производство аммиака действительно осуществимо.
Мы надеемся, что эта статья напомнит исследовательскому сообществу о необходимости использовать надлежащие контрольные эксперименты и протоколы для правильной оценки своих исследований. Мы все являемся частью новой области, которая может оказать очень положительное влияние на производство аммиака и глобальный выброс CO. Выбросы 2. Следовательно, мы должны быть уверены, что используем свое время в лаборатории с пользой, и это исследование может помочь нам в этом», - говорит профессор Иб Чоркендорф из DTU.