Синтез аммиака, лежащий в основе сельскохозяйственной революции XX века, стал возможен благодаря методу Габера-Боша. Однако, несмотря на свою эффективность, он сопряжен с большими энергетическими затратами и значительным углеродным следом. Новый реактор, разработанный группой под руководством Криса Ли, способен производить аммиак без использования ископаемого топлива и с нулевым углеродным следом.
Процесс Габера-Боша был изобретен более ста лет назад и до сих пор остается основным методом синтеза аммиака. Он требует высоких температур и давления, а также значительных энергозатрат, что делает его одним из крупнейших источников выбросов углекислого газа в химической промышленности. Сегодня на его долю приходится около 2% мирового энергопотребления, что вызывает серьезные экологические вопросы. Исследователи из Университета Буффало вдохновились природными процессами, такими как фиксация азота в атмосфере с помощью молний, чтобы создать более экологичное решение.
Разработанный ими плазменно-электрохимический реактор позволяет производить аммиак прямо из воздуха и воды, используя возобновляемую электроэнергию. Технология имитирует природный азотный цикл, где энергия молний разбивает молекулы азота в атмосфере, а бактерии в почве преобразуют азотные соединения в питательные вещества для растений. В новом процессе роль молний выполняет плазма, а функцию бактерий — катализатор из меди и палладия.
Реактор состоит из двух этапов. На первом этапе плазма превращает увлажненный воздух в фрагменты оксидов азота. Затем эти соединения поступают в электрохимический реактор, где катализатор стабилизирует ключевые промежуточные соединения, такие как оксид азота и амин, превращая их в аммиак. Важным достижением стало использование алгоритмов теории графов, которые позволили ученым определить химические «узкие места» в реакции и оптимизировать ее таким образом, чтобы увеличить эффективность процесса.
Новый метод уже показал свою устойчивость и производительность, достигая уровня производства около одного грамма аммиака в день при комнатной температуре. При этом реактор сохраняет стабильность работы более 1000 часов. Это открытие представляет собой значительный прогресс в создании экологически чистого и конкурентоспособного на промышленном уровне способа синтеза аммиака.
Кроме того, новая технология предлагает важное преимущество — ее можно использовать в компактном формате, что делает ее подходящей для небольших регионов и развивающихся стран. В отличие от метода Габера-Боша, требующего крупных промышленных мощностей, реакторы можно разместить в контейнерах среднего размера, оборудованных солнечными панелями. Это решение позволит производить аммиак прямо на месте, обеспечивая удобрения даже для регионов с ограниченным доступом к традиционным методам.
Исследователи уже подали патент на свою разработку и работают над масштабированием технологии. Они также рассматривают возможности коммерциализации через стартапы и партнерства с промышленными компаниями. Перспектива внедрения этой технологии обещает снизить экологическую нагрузку от производства аммиака и обеспечить более устойчивое будущее для мирового сельского хозяйства.
Ранее ученые придумали, как ускорить рост земляники при помощи рисовой шелухи и зеленого чая.
