Инженеры-химики делают шаг к получению аммиака с помощью небольших электрохимических реакторов.
Большая часть мировых удобрений производится на крупных производственных предприятиях, которым требуется огромное количество энергии для создания высоких температур и давлений, необходимых для объединения азота и водорода в аммиак.
Инженеры-химики Массачусетского технологического института работают над созданием альтернативы меньшего масштаба, которая, по их мнению, могла бы использоваться для местного производства удобрений для фермеров в отдаленных сельских районах, таких как страны Африки к югу от Сахары. Удобрение часто трудно получить в таких районах из-за затрат на его транспортировку из крупных производственных предприятий.
Делая шаг к такому мелкомасштабному производству, исследовательская группа разработала способ объединения водорода и азота с использованием электрического тока для генерации литиевого катализатора, где происходит реакция.
«В будущем, если мы представим, как мы хотим, чтобы это когда-нибудь использовалось, мы хотим устройство, которое может дышать воздухом, впитывать воду, подключать к нему солнечную панель и производить аммиак. Это может быть использовано фермером или небольшим сообществом фермеров », - говорит Картиш Мантирам, доцент кафедры химической инженерии в Массачусетском технологическом институте и старший автор исследования.
Аспирант Никифар Лазовский является ведущим автором статьи, которая сегодня выходит в журнале Nature Catalysis . Другими авторами являются аспиранты Минью Чунг и Киндл Уильямс, а также студент Михал Гала.
Меньшая шкала
В течение более 100 лет производилось удобрение с использованием процесса Хабера-Боша, в котором атмосферный азот сочетается с газообразным водородом с образованием аммиака. Газообразный водород, используемый для этого процесса, обычно получают из метана, полученного из природного газа или другого ископаемого топлива. Азот очень нереакционноспособен, поэтому для его реакции с водородом с образованием аммиака требуются высокие температуры (500 градусов Цельсия) и давление (200 атмосфер).
Используя этот процесс, производственные предприятия могут производить тысячи тонн аммиака в день, но они дороги в эксплуатации и выделяют большое количество углекислого газа. Среди всех химических веществ, производимых в больших объемах, аммиак является крупнейшим источником выбросов парниковых газов.
Команда MIT намеревалась разработать альтернативный метод производства, который мог бы уменьшить эти выбросы с дополнительным преимуществом децентрализованного производства. Во многих частях мира нет достаточной инфраструктуры для распределения удобрений, что делает дорогостоящим получение удобрений в этих регионах.
«Идеальная характеристика метода производства аммиака следующего поколения заключается в том, что он распределяется. Другими словами, вы можете сделать этот аммиак ближе к тому месту, где он вам нужен », - говорит Мантирам. «И в идеале это также устранит следы СО 2, которые в противном случае существуют».
В то время как процесс Хабера-Боша использует экстремальное тепло и давление, чтобы заставить реагировать азот и водород, команда MIT решила попробовать использовать электричество для достижения того же эффекта. Предыдущие исследования показали, что подача электрического напряжения может сместить равновесие реакции так, что оно способствует образованию аммиака. Однако, по словам исследователей, было трудно сделать это недорогим и устойчивым способом.
Большинство предыдущих попыток выполнить эту реакцию при нормальных температурах и давлениях использовали литиевый катализатор для разрыва прочной тройной связи, обнаруженной в молекулах газообразного азота. Полученный продукт, нитрид лития, может затем реагировать с атомами водорода из органического растворителя с образованием аммиака. Однако обычно используемый растворитель, тетрагидрофуран или ТГФ, является дорогостоящим и расходуется на реакцию, поэтому его необходимо постоянно заменять.
Команда MIT придумала способ использовать газообразный водород вместо ТГФ в качестве источника атомов водорода. Они разработали сетчатый электрод, который позволяет газу азота диффундировать через него и взаимодействовать с водородом, который растворяется в этаноле, на поверхности электрода.
Эта сетчатая структура из нержавеющей стали покрыта литиевым катализатором, полученным путем осаждения ионов лития из раствора. Газообразный азот диффундирует по всей сетке и превращается в аммиак через ряд стадий реакции, опосредованных литием. Эта установка позволяет водороду и азоту реагировать с относительно высокими скоростями, несмотря на то, что они обычно не очень хорошо растворяются в каких-либо жидкостях, что усложняет реакцию их при высоких скоростях.
«Эта ткань из нержавеющей стали является способом очень эффективного контакта газообразного азота с нашим катализатором, а также имеет необходимые электрические и ионные соединения», - говорит Лазуски.
Расщепление воды
В большинстве своих экспериментов по производству аммиака исследователи использовали газообразные азот и водород, поступающие из газового баллона. Однако они также показали, что они могут использовать воду в качестве источника водорода, сначала электролизуя воду, а затем направляя этот водород в свой электрохимический реактор.
По словам Лазовского, общая система достаточно мала, чтобы сидеть на лабораторном столе, но ее можно увеличить для производства большего количества аммиака путем соединения множества модулей. Другой ключевой задачей будет повышение энергоэффективности реакции, которая в настоящее время составляет всего около 2 процентов по сравнению с 50–80 процентами для реакции Хабера-Боша.
«У нас общая реакция, которая в итоге выглядит благоприятной, что является большим шагом вперед», - говорит он. «Но мы знаем, что все еще существует проблема потери энергии, которую необходимо решить. Это будет одной из главных вещей, которую мы хотим решить в будущей работе, которую мы предпримем ».
По словам Мантирама, этот подход может служить не только способом производства небольших партий удобрений, но и хранилищем энергии. Эта идея, которую сейчас придерживаются некоторые ученые, требует использования электричества, производимого ветром или солнечной энергией, для выработки аммиака. Аммиак мог бы тогда служить жидким топливом, которое было бы относительно легко хранить и транспортировать.
«Аммиак - это такая важная молекула, которая может носить много разных шляп, и этот же метод производства аммиака может использоваться в самых разных областях», - говорит Мантирам.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Фондом семян энергетической инициативы MIT. Предыдущие исследования, которые были основополагающими для настоящей работы, были поддержаны Лабораторией водных и пищевых систем Массачусетского технологического института имени Абдула Латифа (J-WAFS).
Спасибо за внимание! Подписывайтесь и ставьте лайки!