Аммиак поддерживает человечество с начала 20-го века, но его производство оставляет огромный углеродный след. Теперь исследователи нашли способ сделать его на 100 процентов возобновляемым. Инженеры-химики из UNSW Sydney и Университета Сиднея нашли способ сделать "зеленый" аммиак из воздуха, воды и возобновляемой электроэнергии, который не требует высоких температур, высокого давления и огромной инфраструктуры, необходимой в настоящее время для производства этого важного соединения.

И новый метод производства, продемонстрированный в лабораторном доказательстве концепции, также может сыграть определенную роль в глобальном переходе к водородной экономике, где аммиак все чаще рассматривается как решение проблемы хранения и транспортировки водородной энергии.

В статье, опубликованной сегодня в журнале Energy and Environmental Science, авторы из UNSW и Сиднейского университета говорят, что синтез аммиака был одним из важнейших достижений 20 - го века. При использовании в удобрениях, которые в четыре раза увеличили производство продовольственных культур, это позволило сельскому хозяйству поддерживать постоянно растущее население планеты.

Но с начала 1900—х годов, когда аммиак впервые был произведен в больших масштабах, производство аммиака было энергоемким—требовало температуры выше 400°C и давления выше 200 атм-и все это работало на ископаемом топливе.

Доктор Эмма Ловелл, соавтор статьи из Школы химической инженерии UNSW, говорит, что традиционный способ получения аммиака-известный как процесс Хабера—Боша-экономически эффективен только при массовом производстве из—за огромного количества энергии и дорогостоящих материалов.

"Нынешний способ производства аммиака по методу Хабера-Боша производит больше CO2, чем любая другая химическая реакция",-говорит она.

"На самом деле, производство аммиака потребляет около 2 процентов энергии в мире и составляет 1 процент его CO2—что является огромным количеством, если вы думаете обо всех промышленных процессах, которые происходят по всему миру."

Доктор Ловелл говорит, что в дополнение к большому углеродному следу, оставленному процессом Хабера-Боша, необходимость производить миллионы тонн аммиака в централизованных местах означает, что для его транспортировки по всему миру требуется еще больше энергии, не говоря уже об опасностях, связанных с хранением большого количества аммиака в одном месте.

Поэтому она и ее коллеги рассмотрели, как производить его дешево, в меньших масштабах и с использованием возобновляемых источников энергии.

"То, как мы это сделали, не зависит ни от ископаемых топливных ресурсов, ни от выбросов CO2", - говорит доктор Ловелл.

"И как только она станет доступной в коммерческом масштабе, технология может быть использована для производства аммиака непосредственно на месте и по требованию—фермеры могут даже сделать это на месте, используя нашу технологию для производства удобрений,—что означает, что мы отрицаем необходимость хранения и транспортировки. И недавно в Бейруте мы трагически убедились, насколько потенциально опасным может быть хранение аммиачной селитры.

"Поэтому, если мы сможем сделать это локально, чтобы использовать локально, и сделать это так, как нам нужно, то это принесет огромную пользу обществу, а также здоровью планеты."

Из воздуха

Дуги витражного искусства Decra сотрудник и соавтор исследования доктор Али (Рухолла) Джалили говорит, что попытка преобразовать атмосферный азот (N2) непосредственно в аммиак с помощью электричества "поставила перед исследователями значительную проблему в течение последнего десятилетия из-за присущей N2 стабильности, которая затрудняет его растворение и диссоциацию."

Доктор Джалили и его коллеги разработали лабораторные эксперименты, которые использовали плазму (форму молнии, сделанную в трубке) для преобразования воздуха в посредник, известный среди химиков как NOx-либо NO2-(нитрит), либо NO3—(нитрат). Азот в этих соединениях гораздо более реакционноспособен, чем N2 в воздухе.

"Работая с нашими коллегами из Сиднейского университета, мы разработали ряд масштабируемых плазменных реакторов, которые могли бы генерировать NOx-посредник со значительной скоростью и высокой энергетической эффективностью", - говорит он.

"Как только мы создали этот посредник в воде, разработка селективного катализатора и масштабирование системы стали значительно проще. Прорыв нашей технологии заключался в создании высокоэффективных плазменных реакторов в сочетании с электрохимией."

Профессор Патрик Каллен, возглавлявший команду Сиднейского университета, добавляет: "Атмосферная плазма все чаще находит применение в зеленой химии. Индуцируя плазменные разряды внутри пузырьков воды, мы разработали средство преодоления проблем энергоэффективности и масштабирования процессов, приближая технологию к промышленному внедрению."

Решение для хранения

Профессор Scientia Роза Амаль, которая является содиректором Учебного центра ARC по глобальной водородной экономике, говорит, что в дополнение к преимуществам возможности масштабирования технологии "зеленый" метод производства аммиака может решить проблему хранения и транспортировки водородной энергии.

"Водород очень легкий, поэтому вам нужно много места для его хранения, иначе вам придется сжимать или разжижать его", - говорит профессор Амаль.

"Но жидкий аммиак на самом деле хранит больше водорода, чем сам жидкий водород. Таким образом, растет интерес к использованию аммиака в качестве потенциального энергетического вектора для безуглеродной экономики."

Профессор Амаль говорит, что аммиак потенциально может быть произведен в больших количествах с использованием нового зеленого метода, готового к экспорту.

"Мы можем использовать электроны солнечных ферм для производства аммиака, а затем экспортировать наше солнце в виде аммиака, а не водорода.

- А когда он попадет в такие страны, как Япония и Германия, они смогут либо расщепить аммиак и превратить его обратно в водород и азот, либо использовать его в качестве топлива."

Затем команда обратит свое внимание на коммерциализацию этого прорыва и попытается создать спин-аут-компанию, которая перенесет свои технологии из лабораторных масштабов в полевые.

ИСТОЧНИК