Но хотя мы производим аммиак в больших количествах с 1930-х годов, это осуществлялось в основном на громоздких химических предприятиях, требующих огромного количества газообразного водорода из ископаемого топлива, что делает аммиак одним из самых энергоемких среди всех химикатов большого объема.
Пара исследователей из Университета Кейс Вестерн Резерв – один эксперт в области электрохимического синтеза, другой – в области применения плазмы – работают над устранением этой проблемы.
Исследователи Джули Реннер и Мохан Шанкаран придумали новый способ создания аммиака из азота и воды при низкой температуре и низком давлении.
До сих пор они успешно делали это в лаборатории без использования водорода или твердого металлического катализатора, необходимого в традиционных процессах.
«Наш подход – электролитический процесс с использованием плазмы – совершенно новый», – сказал Мохан Шанкаран, профессор инженерных инноваций Гудрич в инженерной школе Case.
Плазма, которую часто называют четвертым состоянием вещества (помимо твердого, жидкого или газового), представляет собой ионизированные облака газа, 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 кафедры химической и биомолекулярной инженерии, добавил, что, поскольку этот новый процесс не требует высокого давления, высокой температуры или водорода, он делает его масштабируемым – «идеальный вид технологии для гораздо меньшего предприятия». один с высоким потенциалом использования возобновляемых источников энергии."
Результаты их двухлетнего сотрудничества были опубликованы в этом месяце в журнале Science Advances.
Урок истории: процесс Габера-Боша
Практически весь коммерческий аммиак производится из азота и водорода с использованием железного катализатора при высокой температуре и давлении.
Немецкий физико-химик Фриц Габер получил Нобелевскую премию по химии в 1918 году за разработку этого процесса, который сделал производство аммиака экономически целесообразным.
Но этот процесс стал более экономически выгодным, когда промышленный химик Карл Бош (который также получил Нобелевскую премию в 1931 году) ввел метод в крупномасштабную систему.
Дальнейшему развитию процесса способствовала вторая инновация: разработка парового риформинга метана, которая сделала водород более доступным и менее дорогим.
Итак, то, что стало известно как процесс Габера-Боша, стало глобальным методом фиксации азота и водорода для производства аммиака.
Но метод Haber-Bosch никогда не был единственным подходом к фиксации азота, он был просто победителем на рубеже веков.
Возникает новый, старый метод
Реннер и Шанкаран воскресили элемент из малоизвестного норвежского метода, предшествовавшего Haber-Bosch (процесс Биркеланда-Эйда), который реагировал с азотом и кислородом с образованием нитратов, другого химического вещества, которое можно использовать в сельском хозяйстве. Этот процесс проиграл Haber-Bosch в основном потому, что требовал еще большего количества энергии в виде электричества, ограниченного ресурса в начале 20-го века.
«Наш подход аналогичен электролитическому синтезу аммиака, который вызвал интерес как альтернатива Haber-Bosch, потому что он может быть интегрирован с возобновляемыми источниками энергии», – сказал Шанкаран. «Однако, как и процесс Биркеланда-Эйда, мы используем плазму, которая требует больших затрат энергии.
Электричество по-прежнему является препятствием, но в меньшей степени сейчас, а с увеличением использования возобновляемых источников энергии оно может вообще не стать препятствием в будущем.
«И, что, пожалуй, наиболее важно, наш процесс не производит газообразный водород», – сказал он. «Это было основным узким местом других электролитических подходов к образованию аммиака из воды (и азота), нежелательного образования водорода."
В процессе Реннера-Шанкарана также не используется твердый металлический катализатор, который может быть одной из причин получения аммиака вместо водорода.
«В нашей системе аммиак образуется на границе раздела газовой плазмы и поверхности жидкой воды и свободно образуется в растворе», – сказал Шанкаран.
До сих пор «настольные партии» аммиака, производимые этим дуэтом, были очень небольшими, а энергоэффективность все еще ниже, чем у Haber-Bosch. Но при постоянной оптимизации их открытие и разработка нового процесса может когда-нибудь привести к появлению более мелких и локализованных заводов по производству аммиака, использующих зеленую энергию.