Исследователи из Стэнфорда нашли новый способ производства аммиака, который не выделяет CO2

В рамках проекта Стэнфордской лаборатории Zarelab ученые Ричард Заре, Сяовэй Сун и Чанбаша Башир открыли новый, экологически чистый химический процесс, который, по их словам, может изменить процесс создания аммиака, основы самого распространенного в мире удобрения. В 2022 году мировое производство аммиака составило около 150 миллионов тонн.

Аммиак (NH3), неорганическое соединение азота и водорода, служит строительным блоком для создания химических удобрений для сельскохозяйственных культур. Около 70% аммиака используется в удобрениях, способствующих росту растений, а остальные 30% в основном используются для производства пластмасс, взрывчатых веществ и синтетических волокон.

Уже более 100 лет аммиак создается с помощью процесса Хабера-Боша, который превращает азот в аммиак для удобрений. По словам Ричарда Зара, главы Zarelab и профессора естественных наук Маргариты Блейк Уилбур в Стэнфорде, этот процесс использует около 2% мировой энергии и способствует 1,3% глобальных выбросов углекислого газа каждый год.

«Хорошо признано, что процесс Габера-Боша является одним из наиболее важных промышленных процессов в химии. В конце концов, именно его люди используют, чтобы накормить мир», — сказал Заре. «В конце 1800-х годов люди думали, что мы все в конечном итоге умрем от голода, потому что население росло быстрее, чем мы могли выращивать растения в пищу. Нас спасло удивительное изобретение Фрица Хабера, который научился брать азот и превращать его в пищу. в аммиак».

По словам Заре, этот процесс является энергоемким, поскольку молекула азота достаточно инертна, то есть ей нелегко вступить в реакцию с водородом с образованием желаемого аммиака. Атомы водорода должны поступать из источника, и процесс Хабера-Боша использует пар (H2O) для преобразования природного газа (метана, CH4) в H2 и CO, получая атомы водорода. При добавлении большего количества пара CO преобразуется в углекислый газ (CO2), и образуется больше атомов водорода.

Таким образом, этот процесс является огромным источником выбросов парниковых газов. Заре сказал, что, по оценкам, 7% мировых промышленных выбросов CO2 приходится на производство аммиака.

В новом процессе Заре, Сонга и Башира по созданию аммиака источником водорода является не метан, а вода, и поэтому углекислый газ не выделяется. Их процесс также не требует приложения напряжения и облучения источником света и проводится при комнатной температуре и атмосферном давлении.

Их открытие основано на недавнем исследовании Зарелаборатории, изучающем высокую реакционную способность микрокапель воды. Объемная вода обычно безвредна и инертна, но капли воды обладают высокой реакционной способностью. По словам Сонга, эти микрокапли можно рассматривать как туман из увлажнителя. «Это крошечные объекты», — сказал он.

Заре сообщил, что лаборатория обнаружила, что микрокапли воды вызывают сильную химическую реакцию при ударе о твердые поверхности. Чтобы произвести аммиак, группа ученых разрывает связи азота, перемещая микрокапли воды, газообразный азот и оксид железа через газовый распылитель. Этот процесс основан на способности микрокапель воды реагировать на твердые поверхности.

Оксид железа служит катализатором реакции, ускоряя реакцию, не изменяясь в результате реакции. Исследователи поместили катализатор в графитовую сетку для распылителя. Затем распылитель выпускает микрокапли, где перекачиваемая вода и азот реагируют с помощью катализатора с образованием аммиака (NH3).

По словам Сонга, когда команда обнаружила, что можно производить аммиак без CO2, они были воодушевлены, но осторожны.

«Нам приходилось мучительно думать, был ли это ожидаемый результат, и нам нужно было иметь множество средств контроля», — сказал Сонг.

«Чтобы это имело большое значение, его необходимо масштабировать и продемонстрировать, что все необходимые шаги имеют хороший экономический смысл», — сказал Заре. «Мы еще не решили проблему — мы все еще говорим о маленьких капельках».

Заре сказал, что следующим шагом для масштабирования этого проекта является сотрудничество с инженерами. Он сказал, что сроки масштабного производства аммиака должны занять менее пяти лет, но это займет как минимум один год. Он добавил, что процесс Хабера-Боша занял пять лет.