Химики из США разработали новый дешёвый метод получения аммиака, который мог бы в перспективе удовлетворить запросы человеческой цивилизации, не внося при этом существенного вклада в глобальное потепление.
Исследователи из группы Стюарта Лихта (Stuart Licht), работающие в Университете Джорджа Вашингтона (Вашингтон, Округ Колумбия) разработали новый способ получения аммиака, для которого требуется воздух, водяной пар и электроэнергия. Как отмечает Лихт, в отличие от обычных процессов, при реализации которых в атмосферу выделяется большое количество диоксида углерода, новый метод позволяет получать необходимый для синтеза удобрений или азотной кислоты аммиак без выделения CO2.
В своё время метод фиксации азота — способ синтеза аммиака по Габеру — изменил жизнь человечества, внедрив применение химических удобрений в сельское хозяйство, увеличив его производительность, однако при этом увеличив выбросы CO2. Разработанный в начале ХХ века и практически не изменившийся до наших дней процесс Габера заключается в реакции азота (основного компонента нашей атмосферы) с водородом в присутствии катализаторов — железа, легированного K2O, CaO, SiO2 и Al2O3. Для создания высокой температуры и давления, необходимых для конверсии азота и водорода в аммиак, в настоящее время тратится около 2% всей энергии, которую вырабатывает человечество, что очевидно приводит к значительным выбросам углекислого газа в атмосферу. Ещё одним источником CO2 в процессе Габера является и то, что водород для получения аммиака сейчас «извлекают» из метана, обрабатывая его водяным паром, что также увеличивает выбросы CO2 в атмосферу (на получение аммиака уходит от 2-х до 5% добываемого в мире метана).
Исследователи из группы Лихта разработали подход «солнечного термического электрохимического производства» (Solar Thermal Electrochemical Production, STEP), реализация которого позволяет избежать выбросов СО2 в таких промышленных процессах, как получение железа или производство цемента. Часть подхода заключается в получении водорода из воды за счёт электролиза расплавов электролитов, например — гидроксида натрия. Получив информацию о топливной ячейке Джейсона Генли из Геологической школы Колорадо, выделяющей энергию за счёт реакции аммиака с кислородом воздуха в расплавленном гидроксиде натрия, исследователи из Вашингтона для начала решили просто обратить работу ячейки, но первоначально — без особого успеха. Ключом для успешного синтеза аммиака оказалось введение в систему наноразмерного оксида железа.
Если прежние попытки проведения совместного электролиза воды и воздуха приводили к тому, что на образование аммиака тратилось не более 1% электроэнергии, то в новом подходе КПД образования аммиака по току составлял 35%. Как отмечает Лихт, КПД, меньший, чем 100% в три раза — вовсе не повод отказываться от этого процесса — кроме аммиака образуется и газообразный водород, который может применяться для различных целей. Тем не менее, пока существенным недостатком системы является то, что катализатор из наноразмерного оксида железа дезактивируется за несколько часов, что существенно понижает эффективность ячейки синтеза аммиака, однако химики из Вашингтона уже работают над более устойчивым дизайном катализатора.
Новый метод не только позволяет избежать выбросов в атмосферу CO2, полученного при переработке метана, на единицу продукции аммиака он требует на 33% меньше энергии, чем классический вариант процесса Габера, и Лихт полагает, что ему удастся ещё в большей степени понизить энергозатраты на получение аммиака, используя для активации процесса термическую энергию Солнца.
