Инженеры-химики Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее нашли способ производить «зеленый» аммиак из воздуха, воды и возобновляемой электроэнергии, который не требует высоких температур, высокого давления и огромной инфраструктуры, необходимых в настоящее время для производства этого важного соединения.
И новый метод производства, продемонстрированный в лабораторных условиях, также может сыграть роль в глобальном переходе к водородной экономике, где аммиак все чаще рассматривается как решение проблемы хранение и транспортировка водородной энергии.
В статье, опубликованной сегодня в журнале Energy and Environmental Science, авторы из Университета Нового Южного Уэльса и Сиднейского университета говорят, что синтез аммиака был одним из важнейших достижений 20-го века. При использовании в удобрениях, которые в четыре раза увеличили урожайность продовольственных культур, сельское хозяйство позволило поддерживать постоянно растущее население планеты.
Но с начала 1900-х годов, когда он был впервые произведен в больших масштабах, производство аммиака было энергоемким - требовалась температура выше 400°C и давление выше 200 атм - и все работало на ископаемом топливе.
Доктор Эмма Ловелл, соавтор статьи из Школы химического машиностроения Университета Нового Южного Уэльса, говорит, что традиционный способ производства аммиака, известный как процесс Габера-Боша, экономически эффективен только при массовом производстве. из-за огромных затрат энергии и дорогостоящих материалов.
«Существующий способ производства аммиака по методу Габера-Боша производит больше CO2, чем любая другая химическая реакция», - говорит она.
"На самом деле, производство аммиака потребляет около 2 процентов мировой энергии и производит 1 процент CO2, что является огромным количеством, если учесть все промышленные процессы, происходящие по всему миру."
Доктор Ловелл говорит, что в дополнение к большому углеродному следу, оставляемому процессом Габера-Боша, необходимость производить миллионы тонн аммиака в централизованных местах означает, что для его транспортировки по всему миру требуется еще больше энергии, не говоря уже о опасности, связанные с хранением больших сумм в одном месте.
Поэтому она и ее коллеги искали способ производить его дешево, в меньших масштабах и с использованием возобновляемых источников энергии.
«То, как мы это сделали, не зависит от ресурсов ископаемого топлива и не выделяет CO2», - говорит доктор Ловелл.
И как только эта технология станет коммерчески доступной, ее можно будет использовать для производства аммиака непосредственно на месте и по требованию - фермеры могут даже делать это на месте, используя нашу технологию для производства удобрений - что означает, что мы сводим на нет необходимость хранения и транспорт. И мы недавно трагически увидели в Бейруте, насколько потенциально опасным может быть хранение аммиачной селитры.
"Таким образом, если мы сможем сделать это локально, чтобы использовать локально, и сделать это так, как нам нужно, то это принесет огромную пользу обществу, а также здоровью планеты."
ИЗ ДУШИ
ARC DECRA Научный сотрудник и соавтор д-р Али (Рухолла) Джалили говорит, что попытка преобразовать атмосферный азот (N2) непосредственно в аммиак с помощью электричества «стала серьезной проблемой для исследователей в течение последнего десятилетия из-за присущей ему стабильности. N2, что затрудняет его растворение и диссоциацию».
Д-р Джалили и его коллеги разработали экспериментальные лабораторные эксперименты, в которых использовалась плазма (разновидность молнии в трубке) для преобразования воздуха в промежуточное вещество, известное среди химиков как NOx - либо NO2- (нитрит), либо NO3- (нитрат). Азот в этих соединениях гораздо более реактивен, чем N2 в воздухе.
«Работая с нашими коллегами из Сиднейского университета, мы разработали ряд масштабируемых плазменных реакторов, которые могли бы генерировать промежуточный NOx со значительной скоростью и высокой энергоэффективностью», - говорит он..
"Как только мы создали этот промежуточный продукт в воде, разработка селективного катализатора и масштабирование системы стали значительно проще. Прорыв нашей технологии состоял в разработке высокопроизводительных плазменных реакторов в сочетании с электрохимией."
Профессор Патрик Каллен, возглавлявший команду Сиднейского университета, добавляет: «Атмосферная плазма все чаще находит применение в «зеленой» химии. Путем создания плазменных разрядов внутри водяных пузырей мы разработали способ преодоления проблем, связанных с энергетикой. эффективность и масштабирование процессов, приближая технологию к промышленному внедрению».
РЕШЕНИЕ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ
Профессор науки Роуз Амаль, содиректор учебного центра ARC по глобальной водородной экономике, говорит, что в дополнение к преимуществам возможности масштабирования технологии, «зеленый» метод производства аммиака, разработанный командой, может решить проблема хранения и транспорта водородной энергии.
«Водород очень легкий, поэтому вам нужно много места для его хранения, иначе вам придется его сжимать или превращать в жидкость», - говорит профессор Амаль.
"Но жидкий аммиак на самом деле хранит больше водорода, чем сам жидкий водород. Поэтому растет интерес к использованию аммиака в качестве потенциального вектора энергии для безуглеродной экономики."
Профессор Амаль говорит, что аммиак потенциально можно производить в больших количествах с использованием нового зеленого метода, готового к экспорту.
Мы можем использовать электроны с солнечных ферм для производства аммиака, а затем экспортировать наш солнечный свет в виде аммиака, а не водорода.
"И когда он попадает в такие страны, как Япония и Германия, они могут либо разделить аммиак и преобразовать его обратно в водород и азот, либо использовать его в качестве топлива."
Следующая команда сосредоточит свое внимание на коммерциализации этого прорыва и стремится создать дочернюю компанию, чтобы перенести свою технологию из лабораторных масштабов в полевые.