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.