Если вы заботитесь об окружающей среде, климате или питании планеты, вы должны заботиться об аммиаке. Мир, каким мы его знаем, просто не мог бы существовать без него. Аммиак используется в удобрениях, и удобрения на основе аммиака в значительной степени ответственны за высокие сельскохозяйственные урожаи, которыми мы наслаждаемся в наши дни. Без него около половины жителей планеты голодали бы. Но ученые нашли способ и теперь производство аммиака будет более экологичным!
Как было раньше и как создают аммиак сейчас
Однако промышленное производство аммиака, используемого в качестве удобрения, совсем не экологично. В настоящее время в мире производится около 175 миллионов тонн аммиака в год с использованием столетнего промышленного процесса, который очень энергоемок. На отрасль приходится от 1% до 2% глобальных выбросов углерода, что делает ее одной из самых грязных на Земле.
В течение десятилетий исследователи пытались найти более экологичные способы производства удобрений на основе аммиака, и теперь такой метод, наконец, может появиться. Традиционный способ получения аммиака состоит в том, чтобы отделить водород от природного газа с помощью пара, а затем соединить водород с азотом. Процедура, называемая процессом Габера-Боша, выбрасывала в атмосферу две тонны CO2 на каждую тонну аммиака. Теперь группа химиков нашла способ настроить этот процесс.
Основным препятствием для производства аммиака с меньшими затратами энергии является разделение реагентов (азот и водород) без больших колебаний температуры и давления, необходимых в процессе его производства. Эта реакция протекает при температуре от 300 до 500 градусов по Цельсию, но затем аммиак удаляется путем охлаждения газа примерно до -20 градусов.
Производство аммиака будет более экологичным?
Для решения этой проблемы исследователи разработали и синтезировали пористые материалы (металлоорганические каркасы, или MOF), которые связывают и выделяют аммиак при умеренном давлении и температуре около 175°C. Поскольку MOF не связывается с другими реагентами, захват и выделение аммиака осуществляется при меньших колебаниях температуры.
«Большой проблемой при обезуглероживании производства удобрений является поиск материала, с помощью которого можно улавливать, а затем высвобождать очень большое количество аммиака, в идеале с минимальными затратами энергии», — заявил в своем заявлении автор исследования Бенджамин Снайдер. «То есть, вы не хотите, чтобы ваш материал подвергался большому нагреву, чтобы заставить аммиак отделиться, и, аналогичным образом, когда аммиак поглощается, вы не хотите, чтобы это создавало много отходов».
Зеленый процесс Габера-Боша
Многие исследователи работают над новыми способами сделать процесс Габера-Боша, который восходит к началу 20-го века, более устойчивым. Это включает в себя производство водорода с использованием солнечной энергии для разделения воды на водород и кислород и новые катализаторы, которые работают при более низких температурах и давлениях для получения водорода с помощью азота.
Однако удаление аммиака из смеси после реакции остается сложной задачей. Пористые материалы, такие как цеолиты, не могут поглощать и выделять большое количество аммиака, в то время как другие MOF, которые пробовали исследователи, часто разрушались в присутствии аммиака, который обладает высокой коррозионной активностью. Но в новом исследовании этого не произошло.
Исследователи попробовали новую разновидность MOF, в которой используются атомы меди, связанные органическими молекулами, называемыми циклогександикарбоксилатами, для создания жесткой и высокопористой структуры MOF. Аммиак не разрушил MOF, а вместо этого превратил его в нити из полимера, содержащего медь и аммиак, с чрезвычайно высокой плотностью накопленного аммиака.
«Когда вы подвергаете эту структуру воздействию аммиака, она полностью меняет свою структуру», — сказал Снайдер. «Он начинается как пористый трехмерный материал, а при воздействии аммиака фактически расплетается и образует то, что я бы назвал одномерным полимером. Думайте об этом как о пучке струн. Этот действительно необычный механизм адсорбции позволяет нам поглощать огромные количества аммиака».
Снайдер и его команда обнаружили, что MOF также можно настроить на поглощение и выделение аммиака в широком диапазоне давлений, что делает его более адаптируемым к любым необходимым условиям реакции. Процесс, который работает при более низких температурах и давлениях, также позволит производить аммиак на небольших объектах ближе к фермерам, а не на крупных химических заводах.
Исследователи объяснили, что хотя новые пористые материалы на самом деле не решили проблемный углеродный след аммиака, они открыли дверь для нового способа мышления о том, как использовать металлоорганические каркасы в модифицированном процессе Габера-Боша. По их мнению, исследование представляет собой «важную концептуальную заметку» в этом направлении.
Исследование было опубликовано в журнале Nature.
