Учёные разрабатывают новый способ получения аммиака

Недавно исследовательская группа японских специалистов из Университета Хиросимы открыла способ получения аммиака из составляющих его молекул водорода и азота при атмосферном давлении. Опубликованное исследование демонстрирует потенциальный процесс хранения и передачи возобновляемой энергии. Учёные говорят, что этот процесс опирается на рассредоточенную и изменчивую сеть возобновляемых ресурсов, солнце и ветер. Автор исследования, доцент Хироки Мияока, из Центра фундаментальных исследований и разработок Университета естественных наук Хиросимы говорит, что конечная цель проведённой работы заключается в создании мелкомасштабного процесса производства NH₃ для эффективного использования возобновляемых источников энергии.

Однако использование аммиака в возобновляемых источниках энергии ограничивается доступными вариантами его синтеза. В промышленном производстве в основном используется процесс Габера-Боша. Он требует высокого давления и высокой температуры. Эти условия обычно недоступны в рамках инфраструктуры хранения возобновляемой энергии и транспортной инфраструктуры.

Технология синтеза NH₃ с помощью химического цикла с использованием гидрида лития (LiH) начинается с объединение молекулярного азота (N₂) с LiH при давлении окружающей среды и температуре до 500 C. На выходе получается продукт имида лития (LiNH₂). После этого имид лития реагирует с газообразным водородом (H₂) и образуется аммиак. Время реакции синтеза аммиака по этой технологии составляет более 1000 минут. Стоит также отметить, что скорость процесса ограничивается агломерацией (слипанием) продуктов реакции в крупные частицы (более 200 мкм). Эти частицы не имеют большой площади поверхности, которая подвергается воздействиям газообразного водорода. В результате реакция получается длительной и требует экстремальных условий. Это является серьёзным препятствием для масштабного производства аммиака.

В своём новом исследовании учёные экспериментировали с применением оксида лития (Li₂O) в качестве молекулярного каркаса для синтеза аммиака при атмосферном давлении и температуре ниже 400 C. Эти условия можно легко имитировать в лаборатории. Они объединили оксид лития и гидрид лития, в результате чего обнаружили, что последний предотвращает слипание реагентов. Частицы остаются мелкими (меньше 50 мкм) и имеют большую площадь поверхности, которая подвергается химической реакции.

Затем они добавили к реагентам газообразный водород, который используется на последней стадии синтеза аммиака. В результате им удалось значительно быстрее провести реакцию получения аммиака. К тому же, по этой технологии можно быстро выпускать аммиак на относительно простом оборудовании. При этом требуется умеренная температура и давление.

Мияока говорит, что процесс, разработанный ими, полезен при создании мелкомасштабного процесса синтеза NH₃ при более низком давлении и температуре. При этом реакция имеет более высокий выход конверсии, чем стандартный каталитический процесс. Новая методика, по его словам, устраняет необходимость в дорогих металлических катализаторах, которые применяются при промышленном синтезе аммиака. Например, рутений (Ru). Результаты данного исследования относятся к сфере производства возобновляемой энергии. Она менее распространена, чем промышленное производство аммиака. Основой для данной методики стал процесс, который впервые использовали в лаборатории Хиросимы для эффективного производства аммиака в условиях, близких к температуре окружающей среды.

В качестве следующего этапа данной работы Мияока планирует рассмотреть практические реакционные процессы для эффективного управления вышеуказанной методикой синтеза NH₃ с точки зрения химической инженерии. Результаты исследования были опубликованы здесь. Исследование было профинансировано Японским обществом содействия науке.