Аммиак, соединение, впервые синтезированное около столетия назад, имеет десятки современных применений и стало необходимым для создания удобрения, которое в настоящее время поддерживает большую часть нашего мирового производства продуктов питания.
Но в то время как мы производим аммиак в больших масштабах с 1930-х годов, это было достигнуто, главным образом, на огромных химических заводах, требующих огромных количеств газообразного водорода из ископаемого топлива, что делает аммиак одним из самых энергоемких среди всех химических веществ большого объема.
Пара исследователей из Университета Case Western Reserve — один специалист по электрохимическому синтезу, а другой — по применению плазмы — работают над тем, чтобы это исправить.
Исследователи Джули Реннер и Мохан Санкаран придумали новый способ создания аммиака из азота и воды при низкой температуре и низком давлении. До сих пор они успешно это делали в лаборатории без использования водорода или твердого металлического катализатора, необходимого в традиционных процессах.
«Наш подход — электролитический процесс с плазмой — совершенно новый», — сказал Мохан Шанкаран, профессор инженерных инноваций Goodrich в Технической школе Case.
Плазмы, часто называемые четвертым состоянием вещества (помимо твердого, жидкого или газообразного), представляют собой ионизированные газовые облака, состоящие из положительных ионов и свободных электронов, которые придают ему уникальную способность активировать химические связи, в том числе довольно сложные. молекула азота, при комнатной температуре.
Реннер, доцент Climo на кафедре химической и биомолекулярной инженерии, добавил, что, поскольку этот новый процесс не требует высокого давления или высокой температуры или водорода, он делает его масштабируемым — «идеальный вид технологии для гораздо меньшего завода, один с высоким потенциалом для возобновляемых источников энергии. »
Результаты их двухлетнего сотрудничества были опубликованы в этом месяце в журнале Science Advances .
Урок истории: процесс Хабера-Боша
Практически весь коммерческий аммиак производится из азота и водорода с использованием железного катализатора при высокой температуре и давлении.
Немецкий физик-химик Фриц Хабер получил Нобелевскую премию по химии в 1918 году за разработку этого процесса, что сделало производство аммиака экономически целесообразным.
Но этот процесс стал более экономически выгодным, когда промышленный химик Карл Бош (который также получил Нобелевскую премию в 1931 году) внедрил метод в крупномасштабную систему. Этот процесс получил дальнейшее развитие благодаря второму нововведению: развитию паровой конверсии метана, которое сделало водород более доступным и менее дорогим.
Таким образом, то, что стало известно как процесс Хабера-Боша, стало глобальным методом фиксации азота и водорода для производства аммиака.
Но Хабер-Бош никогда не был единственным подходом к фиксации азота, он был просто победителем на рубеже веков.
Новый, старый метод по электролитическому синтезу аммиака
Реннер и Шанкаран воскресили элемент из малоизвестного норвежского метода, который предшествовал Хаберу-Бошу (процесс Биркеланда-Эйда), который взаимодействовал с азотом и кислородом с образованием нитратов, еще одного химического вещества, которое можно использовать в сельском хозяйстве. Этот процесс проиграл Хаберу-Бошу в основном потому, что он потребовал еще больше энергии в виде электричества, ограниченного ресурса в начале 20-го века.
«Наш подход подобен электролитическому синтезу аммиака, который приобрел интерес в качестве альтернативы Haber-Bosch, потому что он может быть интегрирован с возобновляемой энергией», — сказал Шанкаран. «Однако, как и в случае процесса Биркеланда-Эйда, мы используем плазму, которая потребляет много энергии. Электричество по-прежнему является барьером, но в меньшей степени сейчас, а с увеличением количества возобновляемых источников энергии оно может вообще не стать барьером в будущем».
«И, возможно, самое главное, наш процесс не производит водородный газ», — сказал он. «Это было основным узким местом других электролитических подходов к образованию аммиака из воды (и азота), нежелательного образования водорода».
Процесс Реннера-Шанкарана также не использует твердый металлический катализатор, который может быть одной из причин, по которой вместо водорода получается аммиак.
«В нашей системе аммиак образуется на границе раздела газовой плазмы и жидкой воды и свободно образуется в растворе», — сказал Санкаран.
До сих пор «настольные партии» аммиака, производимого дуэтом, были очень малы, а энергоэффективность все еще ниже, чем у Haber-Bosch. Но с дальнейшей оптимизацией их открытие и разработка нового процесса могут когда-нибудь привести к меньшим, более локализованным аммиачным установкам, которые используют зеленую энергию.
