Специалисты инженерного колледжа Техасского университета A&M (США) разработали метод производства аммиака с помощью электрохимических процессов, помогая сократить выбросы углерода. Выводы их исследования опубликованы в Nature Scientific Reports, о чем сообщает портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Аммиак в основном используется в сфере производства удобрений. Он имеет самое высокое содержание азота, что делает его незаменимым для растениеводства. Однако на каждую произведенную молекулу аммиака приходится две молекулы углекислого газа, что способствует росту избытков углекислого газа в атмосфере.
Команда факультета химического машиностроения Техасского университета A&M, состоящая из доктора Абдулайе Джире и аспиранта Дениса Джонсона, разработала метод производства аммиака с помощью электрохимических процессов, помогая сократить выбросы углерода. Это исследование направлено на замену традиционного термохимического процесса Габера-Боша принципиально новым технологическим процессом, который является более устойчивым и безопасным для окружающей среды.
Процесс Габера-Боша используется для производства аммиака фактически с начала 1900-х годов. Этот процесс работает путем взаимодействия атмосферного азота с газообразным водородом. Недостатком данного процесса является то, что он требует высокого давления и высокой температуры, то есть больших энергозатрат. Для этого метода также требуется водородное сырье, получаемое из невозобновляемых ресурсов. Наконец, процесс Габера-Боша имеет негативные последствия для окружающей среды.
Техасские исследователи предложили использовать электрохимическую реакцию восстановления азота (NRR) для получения аммиака из атмосферного азота и воды. Преимущества использования нового метода включают использование воды для получения водорода и возможность производить аммиак при температуре и давлении окружающей среды. Этот процесс потенциально потребует меньшего количества энергии, будет менее дорогостоящим и намного более экологически безопасным, чем процесс Габера-Боша.
NRR работает с использованием электрокатализатора. Исследователи использовали в этом качестве нитрид титана. Этот катализатор отличает от других то, что азот уже находится в его структуре, что позволяет более эффективно получать готовый аммиак.
«Аммиаку легче образовываться, потому что атомы водорода могут присоединяться к азоту в молекулярной структуре, образующей аммиак, в дополнение к втягиванию газообразного азота в основную реакцию», – пояснил Джонсон.
Исследователи обнаружили, что использование нитрида титана вызывает так называемый «механизм Марса – Ван Кревелена» – кинетическую реакцию окисления углеводородов, протекающий с более низкой энергетикой, что позволяет повысить скорость производства аммиака и продуктивность всего процесса. Без модификации материалов исследователи достигли продуктивности 20% (отношения образующегося желаемого продукта к побочному продукту).
«Министерство энергетики поставило цель добиться продуктивности в 60%, что является сложной задачей. Мы смогли достичь 20%, продемонстрировав метод, который теперь следует использовать для продвижения вперед», – сказал Джонсон.
Особо важно, что это исследование потенциально может уменьшить выброс углекислого газа, а в более широком масштабе – и глобальное потребление энергии. «Около 2% всей мировой энергии используется для производства аммиака. Сокращение этой огромной величины даст значительный эффект», – отметил Джире.