Исследователи ведут изучение технологии производства аммиака с помощью электрохимических процессов

Команда учёных из Техасского университета (Texas A&M University), доктор Абдулайе Джире и аспирант Дениса Джонсон, разработала технологию производства аммиака с помощью электрохимических процессов. Ученые говорят, что это позволит сократить выбросы углерода. Как сообщается, научная работа была направлена на замену термохимического процесса Габера-Боша электрохимическим процессом, который является более устойчивым и безопасным для окружающей среды. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Scientific Reports.

Процесс Габера-Боша используется для производства аммиака с начала 20-го столетия. Процесс основан на взаимодействии атмосферного азота с газообразным водородом. К минусам этой технологии можно отнести требования высокого давления и высокой температуры, что делает процесс энергоёмким. Кроме того, для него требуется водородное сырьё, которое получается из невозобновляемых источников. Поэтому процесс считается ненадёжным и неустойчивым, а также создающим негативные последствия для окружающей среды.

Учёные предлагают использовать электрохимическую реакцию восстановления азота (NRR) для получения аммиака из атмосферного азота и воды. К плюсам предложенной электрохимической методики относится использование воды для получения протонов и возможность производить аммиак при температуре и давлении окружающей среды. Этот процесс требует меньшего количества энергии и обходится дешевле, чем технология Габера-Боша.

NRR работает над использованием электрокатализатора. Чтобы технология успешно работала, азот должен связываться с поверхностью и распадаться на части с образованием аммиака. В проведенном исследовании учёные использовали в качестве электрокатализатора MXene (нитрид титана). Этот катализатор выгодно отличается от других тем, что азот уже находится в его структуре. Это дает возможность использовать более эффективную формулу аммиака. Джонсон поясняет, что аммиак легче образовывается, поскольку протоны могут присоединяться к азоту уже в структуре. После этого образуется аммиак, и он покидает эту структуру. В структуре сделано отверстие, через которое может втягиваться газообразный азот, и он делит тройную связь, говорит Джонсон.

Учёные обнаружили, что использование нитрида титана вызывает популярный механизм окисления углеводородов Марса-ван Кревелена. Он следует по пути с более низкой энергией, который может позволить увеличить скорость производство аммиака и селективность, благодаря азоту из катализатора на основе нитрида титана. Исследователи сообщают, что достигли селективности 20% без модификации материалов. Это величина является отношением образующегося желаемого продукта к образующемуся нежелательному продукту. Утверждается, что методика потенциально может обеспечить более высокий процент селективности после использования модификаций. Это откроет новый путь производства аммиака при помощи электрохимических процессов.

Джонсон сказал, что Министерство энергетики поставило цель добиться селективности в 60%. Это, по его мнению, сложная задача. Им удалось продемонстрировать результат 20% с помощью их методики. Пока он не может сказать, удастся ли достичь селективности 60% в ближайшее время. В любом случае, это исследование в будущем может помочь в снижении углеродного следа и снижение энергопотребления в масштабах всей планеты. Джире считает, что в будущем результаты проведённой работы могут привести к серьёзным научным сдвигам. Ведь примерно 2% от всей энергии в мире расходуется на производство аммиака. Поэтому уменьшение энергоёмкости этого процесса резко сократит потребление энергии и углеродный след.

Исследовательская работа была профинансирована Startup Research Fund. Подробности исследования были опубликованы в этой статье.