Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) в США смогли найти способ эффективно генерировать аммиак при комнатной температуре, за счет использования сокатализатора на основе кобальта предотвратив в реакции негативный эффект образования газообразного водорода. 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.