Об этом сообщает официальный сайт Caltech. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Чуть более 100 лет назад человечество научилось извлекать азот из атмосферы (там, где его много) и превращать его в аммиак, который можно использовать в качестве источника удобрения для выращивания продуктов питания. Этот химический процесс, известный как фиксация азота, позволил значительно увеличить производство сельскохозяйственных культур и последующий бум населения, питающегося этими культурами.
До сих пор почти все производство азотного сырья осуществляется с помощью так называемого процесса Габера-Боша, в котором используется металлический катализатор для объединения газообразного азота и водорода в аммиак при высоких давлениях и температурах. Это направление химической промышленности широко востребовано для выпуска сельскохозяйственных удобрений для культур, которыми кормится примерно половина населения мира.
Но есть еще один крупный источник получения азота: бактерии, живущие в почве, которые улавливают азот при нормальных атмосферных температурах и давлениях. В последние десятилетия исследователи обратили особое внимание на эти микробы как на наиболее простой и экологичный источник азота.
В дополнение к этому научная группа Калифорнийского технологического института во главе с профессором химии Джонасом Петерсом совершила прорыв, который повысил эффективность одного из ключевых низкотемпературных и низконапорных техпроцессов получения аммиака, что открывает путь к более экологичным удобрениям и производству топлива с нулевым выбросом углерода.
Исследователи Caltech смогли существенно уменьшить серьезный недостаток технологии улавливания азота, разработанной ранее в лаборатории Питерса. В этом процессе используется электричество и специальный катализатор в растворе для соединения азота с водородом. Катализатор представлял собой доказательство принципа жизнеспособности такой концепции, где реакция должна была проходить при низких температурах, но значительная часть электрического тока все равно тратилась впустую - на создание газообразного водорода, который затем испарялся неиспользованным.
Этот негативный эффект, именуемый «реакция выделения водорода» (HER), в итоге нового исследования удалось уменьшить за счет использования сокатализатора на основе кобальта, который опосредует реакцию и предотвращает образование газообразного водорода. Кроме того, присутствие сокатализатора позволяет первичному катализатору более эффективно генерировать аммиак при комнатной температуре, с меньшим требованием к напряжению электрического тока, чем в более раннем процессе.
«Наша задача заключалась в том, чтобы разработать схему, где посредник-сокатализатор последовательно перемещает к основному катализатору, который связывает и фиксирует азот, временно сохраненные протон и электрон (по сути, составные элементы атома водорода) - до наступления момента, когда они смогут соединиться», - пояснил Питерс.
Хотя разработанный техпроцесс еще не готов к стадии внедрения в реальных производственных условиях, исследователи говорят, что это важный шаг вперед в разработке менее энергоемких методов улавливания азота. Это означает, что производство удобрений может осуществляться с помощью солнечной или ветровой энергии в тех частях земного шара, где нет надежных электрических сетей, а также способно сделать использование аммиака в качестве топлива для транспортных средств экономической реальностью.
«Аммиак необходим в качестве основы для удобрений, но он также перспективен в качестве хранимого топлива с высокой плотностью энергии. Азот же составляет около 80 процентов атмосферы Земли, и наряду с водой и солнечным светом он практически доступен в неограниченном количестве. Вся хитрость заключается в том, чтобы разблокировать химию, которая позволит эффективно комбинировать эти реагенты для более экологичного будущего», подчеркнул Питерс.