Исследовательская группа из Университета Висконсин-Мэдисон (США) определила новый способ преобразования аммиака в газообразный азот с помощью процесса, который может стать шагом на пути к замене аммиака топливом на основе углерода, сообщает phys.org.
Об открытии этой технологии, которая использует металлический катализатор и высвобождает, а не требует энергии, было сообщено 8 ноября в журнале Nature Chemistry и получило предварительный патент от Исследовательского фонда выпускников Висконсина.
“В настоящее время мир работает на экономичном углеродном топливе“, – объясняет Кристиан Уоллен, автор статьи и бывший научный сотрудник-постдоктор в лаборатории химии из UW-Madison Джона Берри. “Это не очень хорошая экономика, потому что мы сжигаем углеводороды, которые выделяют углекислый газ в атмосферу. У нас нет способа замкнуть цикл истинного углеродного цикла, в котором мы могли бы превратить углекислый газ обратно в полезное топливо“.
Чтобы продвинуться к цели Организации Объединенных Наций, чтобы мир стал углеродно-нейтральным к 2050 году, ученые должны рассмотреть экологически ответственные способы получения энергии из элементов, отличных от углерода, и команда UW-Madison предлагает экономию энергии азота, основанную на взаимных превращениях азота и аммиака.
Ученые были рады обнаружить, что добавление аммиака к металлическому катализатору, содержащему платинообразный элемент рутений, самопроизвольно производило азот, а это означает, что дополнительная энергия не требовалась. Вместо этого этот процесс можно использовать для производства электроэнергии, используя в качестве побочных продуктов протоны и газообразный азот. Кроме того, металлический комплекс может быть переработан путем воздействия кислорода и многократного использования, что является гораздо более чистым процессом, чем использование топлива на основе углерода.
“Мы выяснили, что мы не только производим азот, но и производим его в совершенно беспрецедентных условиях“, – говорит Берри, профессор химии Лестера Макналла, который сосредоточил свои исследовательские усилия на химии переходных металлов. “Возможность завершить реакцию аммиака с азотом в условиях окружающей среды и получить энергию — это довольно большое дело“.
Аммиак сжигался в качестве источника топлива в течение многих лет. Во время Второй мировой войны он использовался в автомобилях, и сегодня ученые рассматривают способы сжигания его в двигателях в качестве замены бензина, особенно в морской промышленности. Однако при сжигании аммиака выделяются токсичные газы, содержащие оксид азота.
Новая реакция позволяет избежать этих токсичных побочных продуктов. Если бы реакция проходила в топливном элементе, где аммиак и рутений вступают в реакцию на поверхности электрода, она могла бы чисто вырабатывать электричество без необходимости в каталитическом нейтрализаторе.
“Для топливного элемента нам нужен электрический выход, а не вход“, – говорит Уоллен. “Мы обнаружили химические соединения, которые катализируют превращение аммиака в азот при комнатной температуре, без какого-либо приложенного напряжения или добавления химических веществ“.
“У нас есть налаженная инфраструктура для распределения аммиака, который уже массово производится из азота и водорода в процессе Haber-Bosch“, – говорит Майкл Тренерри, аспирант и автор статьи. “Эта технология может обеспечить безуглеродную экономию топлива, но это только половина головоломки. Одним из недостатков синтеза аммиака является то, что водород, который мы используем для производства аммиака, поступает из природного газа и ископаемого топлива“.
Однако эта тенденция меняется, поскольку производители аммиака пытаются производить “зеленый” аммиак, в котором атомы водорода поступают путем электролиза нейтральной по отношению к углероду воды вместо энергоемкого процесса Хабера-Боша.
По мере решения задач синтеза аммиака, по словам Берри, использование аммиака в качестве общего источника энергии или топлива принесет много преимуществ. Он сжимаем, как пропан, его легко транспортировать и легко хранить. Хотя некоторые аммиачные топливные элементы уже существуют, они, в отличие от этого нового процесса, требуют дополнительной энергии, например, путем предварительного разделения аммиака на азот и водород.
Следующие шаги группы включают в себя выяснение того, как спроектировать топливный элемент, который использует преимущества нового открытия, и рассмотрение экологически безопасных способов создания необходимых исходных материалов.
