Mechaninė amoniako sintezė rutuliniame malūne gali tapti alternatyva daug energijos reikalaujančiam dabartiniam jo gamybos procesui

Proveržis kovoje prieš badą, trys Nobelio premijos, ir kasmet pagaminama 150 milijonų tonų — tačiau vis dar aktuali tyrimų tema: daugiau nei 100 metų chemijos pramonė Haber-Bosch procesu konvertuoja atmosferos azotą ir vandenilį į amoniaką, svarbų mineralinių trąšų ir daugelio chemijos pramonės produktų komponentą. Max-Planck-Institut für Kohlenforschung mokslininkai rado stebėtinai paprastą būdą gaminti amoniaką įprastoje temperatūroje ir slėgyje – švelnesnėmis sąlygomis, nei sudaromos Haber-Bosch procesui. Reagentai leidžiami per malūną, kuriame besitrinantis katalizatorius spartina azoto ir vandenilio reakciją. Rezultatas – nedidelis, bet nuolatinis amoniako srautas.

Dabar amoniakas įprastai sintetinamas iš oro azoto ir gamtinių dujų vandenilio 500℃ temperatūroje ir 200 barų slėgyje. Augalai gali pasisavinti tik tokios formos azotą. Nepaisant visų mineralines trąšas supančių kontroversijų, Haber-Bosch proceso indėlis maitinant didėjančią pasaulio populiaciją – lemiamas. Tad, nieko keisto, kad Fritz Haber ir Carl Bosch, kartu su Max Planck instituto tyrėju Gerhard Ertl, kuris tiksliai išsiaiškino proceso mechanizmą, buvo apdovanoti Nobelio premija chemijos srityje. Tačiau amoniako sintezė chemikų dėmesio nestokoja. „Tai buvo pastarųjų 100 metų svajonių reakcija“, sako Ferdi Schüth, Max-Planck-Institut für Kohlenforschung Mülheime prie Ruhro direktorius. Tai išreiškia tiek ekonominę šios transformacijos svarbą, tiek ir jos pasiekimo sudėtingumą. O kadangi svarstoma ir amoniako galimybė kaupti atsinaujinančia energija išgautą vandenilį, jos svarba gali ir dar išaugti.

Didesnis efektyvumas, nei kitų Haber-Bosch proceso alternatyvų

Planuodamas savo eksperimentus malūne, kuriame kietos medžiagos trinasi su plieno rutuliais, Steffenas Reichle didelių kiekių išgauti nesitikėjo. „Iš pradžių labiausiai nerimavau, kaip aptikti labai mažus amoniako kiekius“, sako chemikas, atliekantis doktorantūros studijas Max-Planck-Institut für Kohlenforschung. Atmosferos slėgyje dujų išgauta vos ~0,1% tūrio. 20 barų – 0,26%, o optimizavus sąlygas, – ir 0,4%. Tiek jau galima aptikti įprastais matavimo metodais ir tikrai daugiau, nei gauta ankstesnėmis Haber-Bosch proceso alternatyvomis. „O pasitelkę techninį optimizavimą, našumą galėtume dar padidinti“, sako Reichle. Jis procesą sukūrė taip, kad žaliavos nuolat eitų per rutulinį malūną ir amoniakas nuolat srūtų ir reaktoriaus. Chemijos pramonėje tokie nuolatiniai procesai patogesni už periodinius, kai reagentai būna tiekiami porcijomis, o reakcijos nuolat stabdomos, kad būtų išskiriamas produktas.

Cezis kaip cheminės elfų dulkės

Tokį santykinai aukštą amoniako sintezės rutuliniame malūne produktyvumą chemikams pavyko pasiekti, ieškant optimalaus katalizatoriaus. Konkrečiai, jie norėjo sustiprinti geležies, esminio Haber-Bosch procese naudojamo katalizatoriaus, poveikį. Jie tai atliko, sumaišę šarminį metalą cezį su geležies milteliais. Kartu su mechaniniu malimo rutulių poveikiu, šis priedas katalizę aktyvavo taip, kad inertiškas azotas su vandeniliu susijungė gan švelniomis sąlygomis.

Tyrėjai turi kelis galimus stimuliuojančio cezio poveikio paaiškinimus. Tačiau vis dar nežinoma, kodėl paprastas trynimas taip suaktyvina reakciją. Jie nori tai kuo nuodugniau išsiaiškinti. „Geriau supratę, kas konkrečiai vyksta šio proceso metu, galėsime toliau didinti amoniako išeigą“, sako Schüth. „Tuomet rutulinis malūnas galėtų tapti prioritetiniu amoniako sintezės būdu“.

Max Planck Society
phys.org

Daugiau informacijos: Steffen Reichle et al, Mechanocatalytic Room‐Temperature Synthesis of Ammonia from Its Elements Down to Atmospheric Pressure Angewandte Chemie International Edition(2021). DOI: 10.1002/anie.202112095
Žurnalo informacija:Angewandte Chemie International Edition