Электролизер, используемый в рамках нового метода получения «зелёного аммиака».Фото. П. Дж. Каллен
Исследователи из Сиднейского университета использовали искусственные молнии для разработки более эффективного метода получения аммиака — одного из важнейших химических веществ в мире. Аммиак также является основным компонентом удобрений, на долю которых приходится почти половина всего мирового производства продуктов питания.
Исследование было опубликовано в международном издании Angewandte Chemie.
Команда успешно разработала более простой метод получения аммиака (NH3) в газообразном состоянии. Ранее в других лабораториях аммиак получали в виде раствора (аммония, NH4+), для преобразования которого в конечный газообразный продукт требуется больше энергии и процессов.
Нынешний метод производства аммиака, процесс Габера — Боша, наносит серьёзный ущерб окружающей среде, оставляя огромный углеродный след. Кроме того, для рентабельности этот процесс должен осуществляться в больших масштабах и вблизи источников дешёвого природного газа.
Химический процесс, который кормил весь мир, и команда из Сиднея, которая стремится произвести в нём революцию
Природный аммиак (в основном в виде птичьего помёта) когда-то был настолько востребован, что из-за него разгорались войны.
Изобретение процесса Габера — Боша в XIX веке сделало возможным получение аммиака искусственным путём и произвело революцию в современном сельском хозяйстве и промышленности. В настоящее время 90 % мирового производства аммиака осуществляется по методу Габера — Боша.
«Потребность промышленности в аммиаке только растёт. В течение последнего десятилетия мировое научное сообщество, в том числе наша лаборатория, стремилось найти более экологичный способ производства аммиака, не зависящий от ископаемого топлива».
«В настоящее время для производства аммиака требуется централизованное производство и транспортировка продукта на большие расстояния. Нам нужен недорогой, децентрализованный и масштабируемый «зелёный аммиак», — сказал ведущий исследователь профессор Пи Джей Каллен из Школы химической и биомолекулярной инженерии Сиднейского университета и Института Net Zero.
Его команда работает над производством «зелёного аммиака» уже шесть лет.
«В ходе этого исследования мы успешно разработали метод, позволяющий преобразовывать воздух в газообразный аммиак с помощью электричества. Это огромный шаг на пути к нашей цели».
Аммиак содержит три молекулы водорода, а это значит, что его можно использовать в качестве эффективного носителя и источника водорода в качестве источника энергии и даже потенциально в качестве эффективного средства хранения и транспортировки водорода. Промышленники обнаружили, что они могут получать водород путём «крекинга» аммиака, то есть разделения молекул для использования водорода.
Аммиак также является перспективным кандидатом на роль безуглеродного топлива благодаря своему химическому составу. Это вызвало интерес у судоходной отрасли, на долю которой приходится около 3% всех глобальных выбросов парниковых газов.
Решение химической головоломки
Новый метод получения аммиака, разработанный командой профессора Каллена, основан на использовании энергии плазмы, электризации или возбуждении воздуха.
Но главной особенностью является электролизер на основе мембран — на первый взгляд ничем не примечательная серебристая коробка, в которой происходит преобразование в газообразный аммиак.
В процессе Габера — Боша аммиак (NH3) получают путём соединения азота (N2) и водорода (H2) при высоких температурах и давлении в присутствии катализатора (вещества, ускоряющего химическую реакцию).
Метод на основе плазмы, разработанный командой профессора Каллена, использует электричество для возбуждения молекул азота и кислорода в воздухе. Затем команда направляет эти возбуждённые молекулы в электролизер на основе мембран, где они преобразуются в аммиак.
По словам исследователей, это более простой способ получения аммиака.
По словам профессора Каллена, полученные результаты свидетельствуют о наступлении нового этапа в производстве экологически чистого аммиака. Сейчас команда работает над тем, чтобы сделать этот метод более энергоэффективным и конкурентоспособным по сравнению с процессом Габера — Боша.
«Этот новый подход представляет собой двухэтапный процесс, а именно сочетание плазменной обработки и электролиза. Мы уже сделали плазменную обработку эффективной с точки зрения энергопотребления и масштабируемости.
«Чтобы создать более эффективное решение для устойчивого производства аммиака, нам нужно повысить энергоэффективность электролизера», — сказал профессор Каллен.