Химические удобрения, пластик, волокна, фармацевтические препараты, хладагенты в тепловых насосах и даже взрывчатые вещества используют аммиак в качестве сырья. Более того, недавно аммиак был предложен в качестве носителя водорода из-за высокого содержания в нем водорода.В процессе Габера-Боша, который является основным методом синтеза аммиака, азот реагирует с водородом с использованием металлического катализатора с образованием аммиака. Однако этот производственный процесс проводится при 200 атм и высоких температурах реакции, составляющих почти 500 ° C. Кроме того, производство аммиака требует использования большого количества природного газа, поэтому ученые искали альтернативные методы устойчивого синтеза аммиака при низкой температуре.
В недавнем исследовании исследователи из Университета Васэда и Nippon Shokubai Co. Ltd. достигли высокоэффективного синтеза аммиака при низкой температуре с самым высоким выходом из когда-либо зарегистрированных.
«Применяя электрическое поле к катализатору, используемому в нашем эксперименте, мы достигли эффективного мелкомасштабного процесса синтеза аммиака в очень мягких условиях», — говорит профессор Ясуси Секин из Университета Васеда. «Используя этот новый метод, мы можем собирать высокочистый аммиак в виде сжатой жидкости и открывать двери для развития заводов по производству аммиака, работающих на возобновляемых источниках энергии».Это исследование было опубликовано в журнале Chemical Science.В 1972 году было обнаружено, что катализатор рутерний (Ru) с щелочными металлами снижает температуру и давление реакции, необходимые для обработки Габера-Боша, и после этого открытия были предложены различные методы. К сожалению, скорость синтеза аммиака тормозилась кинетическими ограничениями.
«Мы применили электрическое поле постоянного тока к катализатору Ru-CS для синтеза аммиака. Наша исследовательская группа получила чрезвычайно высокое поле аммиака, приблизительно 30 ммоль гкат-1ч-1, с высокой производственной энергоэффективностью. Не говоря уже о том, что это было сделано при низком уровне энергии. температура реакции и давление от атмосферного до 9 атм, которые можно регулировать кинетически. Потребление энергии для производства аммиака также было очень низким ».
То, как исследователи смогли получить такие результаты, можно объяснить механизмом, называемым прыжками на поверхности протонов, уникальной поверхностной проводимостью, запускаемой электрическим полем.«Наши экспериментальные исследования, включая наблюдение под электронным микроскопом, измерения инфракрасной спектроскопии и тесты изотопного обмена с использованием газообразного азота, доказывают, что прыжки протонов играют важную роль в реакции, поскольку они активируют газообразный азот даже при низких температурах и смягчают требования суровых условий, "объясняет профессор Секин.
Новый метод также устраняет препятствия при обычном синтезе аммиака, такие как отравление водородом катализаторов Ru и задержка диссоциации азота. Кроме того, результаты исследований показывают, что может быть реализовано более мелкомасштабное, более дисперсное производство аммиака, и станет возможным строительство высокоэффективных заводов по производству аммиака, работающих на возобновляемых источниках энергии.
Ожидается, что такие аммиачные заводы будут производить от 10 до 100 тонн аммиака в день. Профессор Секин считает, что их выводы будут важны для будущих источников энергии и материалов.