Обнаружен простой способ получения аммиака из воды и воздуха
Аммиак — это бесцветный едкий газ с химической формулой NH3, то есть его молекула состоит из одного атома азота и трёх атомов водорода. В промышленности аммиак используют для производства удобрений, пластмасс и других химикатов. Он также необходим в качестве хладагента в тех же холодильниках и как чистящее средство.
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.
— 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.
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.
- Дмитрий Ладыгин
- pixabay.com
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Что-то странное живет в старом топливе, вытекшем из затонувших кораблей во Вторую мировую войну
По словам ученых, в нефтепродуктах на дне моря «не протолкнуться»: 42 типа, 107 классов, 249 отрядов, 432 семейства, 1 047 родов микроорганизмов...
«Космос-2612» против спутника-шпиона: Россия показала, что не будет мириться с американской разведкой на орбите
Почему западные эксперты считают, что противостояние на орбите выходит на более новую и крайне опасную стадию...
В 2025 году в Беринговом море неожиданно появилось огромное количество крабов
Теперь ученые наконец-то нашли разгадку природной аномалии...
Летние каникулы длиной… в два с половиной года: как 777 российских детей вернулись домой через Сибирь, Америку и Европу
По этой удивительной истории запросто можно снять отличный сериал. Даже несколько сезонов...
Каспийское море снова изменилось: какие острова нанесут на новые карты
Почему географы очень строги к таким объектам и какие требования предъявляют к ним...
Вот почему самый загадочный в мире 600-летний текст до сих пор не расшифрован
Рукопись Войнича могли переплести не по порядку, и этот факт дает ответы на многие вопросы...
Ковчег русских детей: как 777 российских детей вернулись домой через Сибирь, Америку и Европу (продолжение)
Никто и не ожидал, что летние каникулы вдруг затянутся на два с половиной года...
Похоже, между кошками и их хозяевами существует загадочная гормональная связь
Этот эксперимент напрашивался уже давно, но после вопросов стало еще больше...
Парадокс Ванильного острова: почему на Мадагаскаре все рано или поздно заканчивается революцией
Что такое «красные зоны»? Как с ними связаны горбатые быки? И, вообще, какую роль в этой истории сыграла японское аниме?...
1319 подтвержденных случаев реинкарнации: исследование американских ученых выявило поразительные закономерности
Исследователи не знают, как объяснить механизм перерождения, но игнорировать статистику тоже не могут...
Муравьи Дракулы охотятся с первого дня жизни: их мозг может объяснить такую «кровожадность»
По словам ученых, когда-то такими были все муравьи, но что-то заставило их поменять свое поведение...
Загадочный звездный узор на знаменитой картине Ван Гога поставил точку в споре столетней давности
Выяснилось, что целая толпа литературоведов сильно ошибалась в биографии великого художника...
Новая окаменелость подтверждает: предок человека появился на 200 000 лет раньше, чем считали ученые
Антропологи говорят, что доминировал тогда совсем другой вид, а в итоге выжил именно наш далекий пращур...