Низкоуглеродный аммиак — экологичная замена в сельском хозяйстве и транспорте

Новый способ производства аммиака с использованием жидкого металла может сократить выбросы углекислого газа. Аммиак нужен для удобрений и безопасной транспортировки водорода в энергетике.

Но производство аммиака дорого обходится: оно потребляет много энергии и является источником выбросов углерода.

Научный сотрудник RMIT и ведущий автор исследования доктор Карма Зурайки (на фото) утверждает, что их экологичная альтернатива процессу Хабера-Боша использует на 20% меньше тепла и на 98% меньше давления. Этот метод применяется для расщепления азота и водорода в аммиак.

Зурайки из Инженерной школы считает, что если усовершенствовать этот процесс и сделать его менее энергоёмким, то можно значительно сократить выбросы углекислого газа. Результаты показывают, что низкоэнергетический подход столь же эффективен для производства аммиака, как и существующий золотой стандарт. Это возможно благодаря эффективным катализаторам из жидких металлов.

Зурайки говорит, что медь, галлий и новые подходы к разработке более дешёвые и распространённые по сравнению с рутением, который используется как катализатор. Поэтому новая разработка перспективна, и её планируют развивать дальше.

Жидкий металл на помощь

Команда профессора RMIT Торбена Даенеке использует особые свойства жидких металлических катализаторов для производства аммиака, улавливания углерода и производства энергии.

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химические реакции, не расходуясь при этом само.

В последнем исследовании команда показала, как можно использовать крошечные капли жидких металлов, содержащих медь и галлий, в качестве катализатора для расщепления азота и водорода. Эти капли назвали «нанопланетами» за их структуру: твёрдую кору, жидкое внешнее ядро и твёрдое внутреннее ядро.

Данеке утверждает, что жидкие металлы способствуют более динамичному перемещению химических элементов, обеспечивая их доставку к границе раздела и эффективное взаимодействие. Это делает их идеальными катализаторами.

Медь и галлий по отдельности не были эффективными катализаторами для производства аммиака. Однако вместе они справляются с этой задачей хорошо.

Эксперименты показали, что галлий расщепляет азот, а медь — водород. При этом метод так же эффективен, как и существующие подходы, но требует меньше затрат.

Данеке считает, что они смогли повысить индивидуальную активность металлов за счёт их взаимодействия.

Расширение масштабов для промышленности

Производство аммиака традиционным методом Хабера-Боша возможно только на крупных предприятиях.

Команда предлагает альтернативный подход, который подойдёт как для крупномасштабных, так и для небольших децентрализованных производств. Небольшие объёмы можно будет дёшево производить на солнечных электростанциях, что сократит транспортные расходы и выбросы.

Технология может стать ключевым фактором для водородной промышленности и поддержать отказ от ископаемого топлива. Кроме производства удобрений, аммиак можно использовать как безопасный и удобный способ транспортировки водорода. Однако если в качестве носителя водорода использовать аммиак, произведённый современными технологиями, то выбросы водородной промышленности могут значительно увеличить глобальные выбросы.

Мы хотим объединить нашу технологию производства экологически чистого аммиака с технологиями производства водорода. Это позволит безопасно доставлять «зелёную» энергию по всему миру без больших потерь в пути, — сказал Даенеке.

Наша задача — расширить масштабы технологии, которая была проверена в лаборатории, и разработать систему для работы при ещё более низком давлении. Так она станет практичнее и сможет применяться в разных отраслях промышленности.

Мы воодушевлены результатами и готовы обсудить сотрудничество с потенциальными партнёрами, которые хотят внедрить эту технологию в своей отрасли.

Это исследование было проведено при поддержке Австралийского исследовательского совета и Австралийского синхротрона (ANSTO). Анализ молекулярных взаимодействий проводился в нескольких научных центрах Австралии.

Работа опубликована в журнале Nature Catalysis.

19.09.2024