Новости химической науки > Получить аммиак из воздуха и паров воды

Химики из США разработали новый дешевый метод получения аммиака, который мог бы в перспективе удовлетворить запросы человеческой цивилизации в фиксации атмосферного азота, не внося при этом существенный вклад в глобальное потепление.

Исследователи из группы Стюарта Личта (Stuart Licht), работающие в Университете Джорджа Вашингтона (Вашингтон, Округ Колумбия) разработали новый способ получения аммиака, для которого требуется воздух, водяной пар и электроэнергия. Как отмечает Личт, в отличие от обычных процессов, при реализации которых в атмосферу выделяется большое количество диоксида углерода, новый метод позволяет получать необходимый для синтеза удобрений или азотной кислоты аммиак без выделения CO₂.

В свое время метод фиксации азота – способ синтеза аммиака по Габеру изменил жизнь человечества, внедрив применение химических удобрений в сельское хозяйства, увеличив его производительность, однако при этом увеличив выбросы CO₂. Разработанный в начале ХХ века и практически не изменившийся до наших дней процесс Габера заключается в реакции азота (основного компонента нашей атмосферы) с водородом в присутствии катализаторов – железа, легированного K₂O, CaO, SiO₂ и Al₂O₃. Для создания высокой температуры и давления, необходимых для конверсии азота и водорода в аммиак в настоящее время тратится около 2% всей энергии, которую вырабатывает человечество, что, очевидно приводит к значительным выбросам углекислого газа в атмосферу. Еще одним источником CO₂ в процессе Габера является и то, что в настоящее время водород для получения аммиака «извлекают» из метана, обрабатывая его водяным паром, что также увеличивает выбросы CO₂ в атмосферу (на получение аммиака уходит 2-5% от годовой мировой добычи метана).

Исследователи из группы Стюарта Личта (Stuart Licht) разрабатывают новый способ промышленного получения аммиака, используя подход «солнечного термического электрохимического производства». (Рисунок из Science, 2014, DOI: 10.1126/science.1254234)

Исследователи из группы Личта разработали подход «солнечного термического электрохимического производства» [‘Solar Thermal Electrochemical Production’ (STEP)], реализация которого позволяет избежать выбросов СО₂ в таких промышленных процессах, как получение железа или производство цемента. Часть подхода заключается в получении водорода из воды за счет электролиза расплавов электролитов, например – гидроксида натрия. Получив информацию о топливной ячейке Джейсона Генли из Геологической школы Колорадо, выделяющей энергию за счет реакции аммиака с кислородом воздуха в расплавленном гидроксиде натрия, исследователи из Вашингтона для начала решили просто обратить работу ячейки, но первоначально – без особого успеха. Ключом для успешного синтеза аммиака оказалось введение в систему наноразмерного оксида железа.

Если прежние попытки проведения совместного электролиза воды и воздуха приводили к тому, что на образование аммиака тратилось не более 1% электроэнергии, то в новом подходе КПД образования аммиака по току составлял 35%. Как отмечает Личт, КПД, меньший, чем 100% в три раза – вовсе не повод отказываться от этого процесса – кроме аммиака образуется и газообразный водород, который может применяться для различных целей. Тем не менее, существенным недостатком пока недостатком системы является то, что катализатор из наноразмерного оксида железа дезактивируется за несколько часов, что существенно понижает эффективность ячейки синтеза аммиака, однако химики из Вашингтона уже работают над более устойчивым дизайном катализатора.

Новый метод не только позволяет избежать выбросов в атмосферу CO₂, полученного при переработке метана, на единицу продукции аммиака он требует энергии на 33% меньше, чем классический вариант процесса Габера, и Личт полагает, что ему удастся еще в большей степени понизить энергозатраты на получение аммиака, используя для активации процесса термическую энергию Солнца.

Источник: Science, 2014, DOI: 10.1126/science.1254234

метки статьи: #кинетика и катализ, #нанотехнологии, #химическая технология, #электрохимия