Аммиак можно назвать одним из важнейших для человечества веществ: он является основой для производства азотных удобрений. Использование азотных удобрений позволило повысить урожайность растений в несколько раз по сравнению с началом XX века; кроме того, аммиак нужен при производстве массы иных веществ, от соды до взрывчатки, и выступает в качестве теплоносителя для промышленных холодильников. Столь массовое использование этого вещества стало возможным благодаря открытию в начале XX столетия синтеза аммиака из водорода и азота — процесса Габера.
Читайте также: Зеленая революция закончилась, а население планеты продолжает расти. Теперь ученые пытаются разогнать фотосинтез сельскохозяйственных растений
Процесс Габера, заключающийся в нагреве смеси газов под давлением и в присутствии катализатора из железа, используется по сей день, поскольку он достаточно дешев и прост. Первый завод по производству аммиака этим методом запустили в Германии еще до начала Первой мировой войны. Но чем больше требуется аммиака, тем выше суммарные затраты на его производство и тем больший эффект может дать оптимизация — например, отказ от необходимости греть смесь до высокой температуры или возможность обойтись без повышенного давления.
Работы в этом направлении ведутся разными группами химиков и технологов по всему миру, и исследователи из университета Кейс-Вестерн в США представили в журнале Science Advances один из возможных подходов. Они описали способ, который не требует ни нагрева всей емкости до сотен градусов Цельсия, ни создания повышенного давления — требуется только вода и электрический разряд над ее поверхностью.
Электрический разряд создает плазму, в которой ионизированный азот и водород из подвергаемой электролизу воды создают молекулы аммиака. Протекающий ток при этом сравнительно невелик, а самое главное, отпадает нужда в катализаторе. Впрочем, наряду с достоинствами потенциальный новый метод имеет и ряд недостатков: пока что он выдает очень мало газа и потребляет очень много электричества.
В экспериментах, которые провели химики, количество полученного газа исчислялось считанными миллиграммами. Этого, безусловно, мало для промышленного применения, но сами авторы и не ставили цели сразу представить прототип химического реактора для массового производства. Они указывают, что их данные показывают на принципиальную возможность реакции, протекающей в компактной установке и дающей достаточно чистый продукт. «Требуются дополнительные исследования для оптимизации процесса. Но сопоставление нашего метода с другими аналогичными разработками указывает на то, что возможна разработка технологии распределенного и экологически чистого производства аммиака», — пишут ученые в завершающей части своей работы.
Вторая большая проблема, с которой столкнулись исследователи, в том, что переход от стандартного процесса Габера к электроплазменной технологии сам по себе должен привести к увеличению затрат энергии на синтез аммиака. Сейчас на килограмм аммиака в процессе Габера тратится около десяти киловатт-часов, а собранная учеными установка потребовала бы (с учетом масштабирования) более 2 000 , что очень много, даже с учетом возможной оптимизации.
Однако для промышленного применения аммиак мало синтезировать. Его необходимо как-то доставить в нужное место, а это не только затраты, но и риски: аммиак — это ядовитый газ, поэтому его нельзя перекачивать или возить в цистернах с той же легкостью, что и жидкие нефть или бензин. Трубопроводов для аммиака в мире насчитывается гораздо меньше, чем нефте- или газопроводов, в том числе из-за жестких требований безопасности. Например, по российским правилам, все живущие ближе 2,5 километра от аммиакопровода должны быть проинструктированы на случай утечек (которые, кстати, случались в минувшие годы и приводили к эвакуации целых сел).
Возможность получать аммиак рядом с местом его использования может, как считают исследователи, сделать химическое производство проще, безопаснее и дешевле за счет отказа от сложных и небезопасных систем для транспортировки и хранения. В пресс-релизе университета авторы сообщают, что им удалось преодолеть другую проблему, которая долгое время преследовала химиков, работающих над нестандартными методами синтеза аммиака: их реактор давал практически чистый аммиак без примеси водорода. А что касается высокого энергопотребления, то «учитывая растущую доступность возобновляемой энергии, это может вовсе не быть принципиальным ограничением», добавляет Мохан Санкаран, один из соавторов новой публикации.