Как происходит замена углеродного топлива азотом

Команда исследователей в Университете штата Висконсин — Мэдисон определил новый способ для преобразования аммиака в газообразный азот через процесс, который может быть шагом к замене аммиака на основе углерода топлива.

Об открытии этого метода, который использует металлический катализатор и высвобождает, а не требует энергии, было сообщено 8 ноября 2021 года в журнале Nature Chemistry, и он получил предварительный патент от Исследовательского фонда выпускников Висконсина.

«В настоящее время мир работает на основе углеродного топлива», — объясняет Кристиан Уоллен, автор статьи и бывший научный сотрудник лаборатории химика Джона Берри из Калифорнийского университета в Мэдисоне. «Это не очень хорошая экономия, потому что мы сжигаем углеводороды, которые выделяют углекислый газ в атмосферу. У нас нет способа замкнуть цикл настоящего углеродного цикла, в котором мы могли бы превратить углекислый газ обратно в полезное топливо».

Чтобы приблизиться к цели Организации Объединенных Наций по обеспечению углеродно-нейтрального мира к 2050 году, ученые должны рассмотреть экологически ответственные способы создания энергии из элементов, отличных от углерода, и команда UW-Madison предлагает экономику энергии азота, основанную на взаимном преобразовании азот и аммиак.

Добавление аммиака к металлическому катализатору

Ученые были взволнованы, обнаружив, что добавление аммиака к металлическому катализатору, содержащему платиноподобный элемент рутений, спонтанно дает азот, а это означает, что не требуется дополнительной энергии. Вместо этого этот процесс можно использовать для производства электричества с протонами и газообразным азотом в качестве побочных продуктов. Кроме того, металлический комплекс может быть переработан под воздействием кислорода и использован многократно, что намного чище, чем при использовании топлива на основе углерода.

«Мы выяснили, что мы не только производим азот, но и делаем его в совершенно беспрецедентных условиях», — говорит Берри, профессор химии Лестера МакНолла, который сосредоточивает свои исследования на химии переходных металлов. «Возможность завершить реакцию превращения аммиака в азот в условиях окружающей среды — и получить энергию — очень важно».

История использования амиака

Аммиак сжигают в качестве источника топлива в течение многих лет. Во время Второй мировой войны он использовался в автомобилях, и сегодня ученые рассматривают способы сжигания его в двигателях в качестве замены бензина, особенно в морской промышленности. Однако при сжигании аммиака выделяются токсичные газы оксида азота.

Новая реакция позволяет избежать этих токсичных побочных продуктов. Если бы реакция была размещена в топливном элементе, где аммиак и рутений реагируют на поверхности электрода, он мог бы чисто производить электричество без необходимости в каталитическом нейтрализаторе.

• «Для топливного элемента нам нужна электрическая мощность, а не вход», — говорит Валлен. «Мы обнаружили химические соединения, которые катализируют превращение аммиака в азот при комнатной температуре без какого-либо приложенного напряжения или добавления химикатов. Насколько нам известно, это первый процесс, позволяющий это сделать ».
• «Возможность завершить реакцию превращения аммиака в азот в условиях окружающей среды и получить энергию — это довольно большое дело». — Джон Берри
• «У нас есть налаженная инфраструктура для распределения аммиака, который уже массово производится из азота и водорода в процессе Габера-Боша», — говорит Майкл Тренерри, аспирант и автор статьи. «Эта технология может обеспечить безуглеродную экономию топлива, но это лишь половина проблемы. Одним из недостатков синтеза аммиака является то, что водород, который мы используем для производства аммиака, получают из природного газа и ископаемого топлива».

Однако эта тенденция меняется, поскольку производители аммиака пытаются производить «зеленый» аммиак, в котором атомы водорода поставляются путем углеродно-нейтрального электролиза воды вместо энергоемкого процесса Габера-Боша.

По словам Берри, по мере решения задач синтеза аммиака использование аммиака в качестве обычного источника энергии или топлива принесет много преимуществ. Он сжимается, как пропан, его легко транспортировать и хранить.

Хотя некоторые аммиачные топливные элементы уже существуют, они, в отличие от этого нового процесса, требуют дополнительной энергии, например, сначала для расщепления аммиака на азот и водород.

Следующие шаги группы включают выяснение того, как спроектировать топливный элемент, который использует преимущества нового открытия, и рассмотрение экологически безопасных способов создания необходимых исходных материалов.

«Одна из следующих задач, о которых я хотел бы подумать, — это получение аммиака из воды вместо газообразного водорода», — говорит Тренерри. «Мечта — добавить воду, воздух и солнечный свет, чтобы создать топливо».

Источник

Метки: энергия