Исследователи из Стэнфорда нашли экологически чистый метод получения аммиака с использованием капель воды и азота. Научная статья опубликована в издании Proceedings of the National Academy of Sciences («Труды Национальной академии наук»).
Казалось бы, это же так логично: воды кругом немало, а уж азота — 78% от объёма воздуха. Однако уже более 100 лет мировое производство аммиака зависит от процесса, названного в честь изобретателей Фрица Габера и Карла Боша. Промышленный прорыв стартовал в 1909–1913 годы и оказал большое влияние на сельское хозяйство, позволив прокормить быстро растущее население.
Для этого смесь азота и водорода пропускают через нагретый катализатор под высоким давлением. Равновесие в химической реакции смещается в сторону аммиака за счёт высокого давления. Водород для получения аммиака извлекают из метана, обработанного водяным паром. Иными словами, процесс Габера-Боша — чрезвычайно энергоёмкий. Для разрушения прочных связей азота он требует давления в 80–300 атмосфер и температур в диапазоне 300–500 °C.
Ежегодный мировой спрос — 150 миллионов метрических тонн аммиака. При этом на процесс Габера-Боша расходуется более 2% мировой энергии и около 1% всего углекислого газа, который попадает в атмосферу.
Напротив, инновационный метод, впервые предложенный исследователями из Стэнфорда, оказался намного дешевле.
Мы были потрясены, увидев, что можем производить аммиак при обычной температуре и давлении, используя только воздух, воду и распыление
— Ричард Заре, профессор естественных наук старший автор исследования.
Исследовательская группа сосредоточилась на катализаторе. Им может быть любое вещество, которое повышает скорость химической реакции, но само по себе не изменяется в ходе реакции. Современный катализатор состоит из оксида железа, также известного как магнетит, и синтетической мембраны, изобретённой в 1960-х годах. Искусственная мембрана служит для разделения газов.
Исследователи нанесли катализатор на графитовую сетку, которая встроена в газовый распылитель. Распылитель выпускал микрокапли, в которых закачиваемая вода (H2O) и сжатый молекулярный азот (N2) вступали в реакцию друг с другом в присутствии катализатора. Используя устройство, называемое масс-спектрометром, экспериментаторы проанализировали микрокапли и увидели присутствие аммиака.
Метод примечателен тем, что в нём используются три фазы вещества: азот в виде газа, вода и катализатор. Заре заявил, что новая идея одновременного использования газа, жидкости и твёрдого вещества для химического превращения является первой в своём роде и имеет огромный потенциал для других химических превращений.
Хотя предложенный метод производства аммиака выглядит многообещающим, пока он — на стадии демонстрации. Исследователям ещё предстоит изучить, как собирать полученный аммиак, и оценить, как масштабировать процесс до промышленного уровня.