Ta nowa koncepcja może umożliwić połączenie potrzeb dotychczas odrębnych branż.
Zespół badawczy z University Alliance Ruhr w Niemczech odkrył katalizator, który można wykorzystać do przekształcania amoniaku w nośnik energii, wodór, i prekursor nawozów, azotyn. Produkcja wodoru i produkcja nawozów były dotychczas oddzielnymi procesami chemicznymi. Dzięki nowemu podejściu zespół z Ruhr University Bochum i University of Duisburg-Essen wykazuje, że oba procesy można połączyć w skali laboratoryjnej. Grupa z Bochum kierowana przez Ievę Cechanaviciute i profesora Wolfganga Schuhmanna informuje o wynikach wraz z Bhawaną Kumari i profesor Coriną Andronescu z University of Duisburg-Essen w czasopiśmie Angewandte Chemie International Edition od 23 czerwca 2024 r.
Wodór można uzyskać przez rozszczepienie wody (H2O) w wodór (H2) i tlen (O2) wykorzystując energię elektryczną. Aby ten proces był zrównoważony, energia powinna pochodzić ze źródeł odnawialnych. „Można to zrobić tylko w kraju, w którym jest dużo miejsca na energię wiatrową i dużo słońca na fotowoltaikę, na przykład w Namibii” – wyjaśnia Wolfgang Schuhmann. Aby zbudować gospodarkę opartą na wodorze w Niemczech, musi on być importowany z odległych krajów. Sednem sprawy jest to, że do skroplenia wodoru na potrzeby transportu potrzeba dużo energii, ponieważ staje się on płynny tylko w ekstremalnie niskich temperaturach minus 253 stopni Celsjusza lub przy wysokim ciśnieniu.
Amoniak jest łatwiejszy w transporcie niż wodór
Alternatywne koncepcje zakładają zatem przekształcenie wodoru w amoniak w miejscu produkcji, ponieważ staje się on cieczą w temperaturze minus 33 stopni Celsjusza. Ma on również większą gęstość energii. „Cysterna pełna ciekłego amoniaku przetransportowałaby około 2,5 razy więcej energii niż cysterna pełna ciekłego wodoru” — wyjaśnia Schuhmann. Wreszcie amoniak musiałby zostać przekształcony z powrotem w wodór w miejscu użytkowania. Zazwyczaj odbywa się to za pomocą odwrotnej reakcji Habera-Boscha, w której amoniak (NH3) jest przekształcany w azot (N2) i wodoru (H2). Jednakże z tych dwóch produktów tylko wodór może być wykorzystany w sposób opłacalny.
Podwójna wydajność wodoru
„Wpadliśmy więc na pomysł połączenia odwrotnej reakcji Habera-Boscha z drugą elektrolizą wody, aby uzyskać produkt, który można łatwo wykorzystać do produkcji nawozów, takich jak azotyn lub azotan, zamiast azotu” – wyjaśnia Ieva Cechanaviciute. W tej reakcji amoniak (NH3) i wody (H2O) są zużywane w celu wytworzenia azotynu (NO2–) i wodoru (H2). W przeciwieństwie do odwrotnej reakcji Habera-Boscha, produkcja wodoru jest podwojona i zamiast nieprzydatnego azotu powstaje głównie azotyn, który można dalej przetworzyć na nawóz.
Do reakcji zespół użył elektrod dyfuzyjnych gazu, do których amoniak może być wprowadzany jako gaz. „Nigdy wcześniej tego nie robiono” – wyjaśnia Wolfgang Schuhmann. „Amoniak zawsze był używany w postaci rozpuszczonej”.
Pokonanie kanionu termodynamicznego
Jednym z wyzwań dla badaczy było znalezienie odpowiedniego katalizatora, za pomocą którego można by zrealizować ich pomysł. Wynika to z faktu, że materiałem wyjściowym jest NH3 ma tendencję do przekształcania się w azot ze względu na bardzo silne potrójne wiązanie azot-azot, a nie w azotyn. „Najpierw musieliśmy połączyć ten termodynamiczny Wielki Kanion” — wyjaśnia Cechanaviciute. We wcześniejszej pracy zespół eksperymentował już z katalizatorami wielometalowymi, które okazały się odpowiednie do tego celu. Udało im się przekształcić 87 procent przeniesionych elektronów w azotyn. Zespołowi udało się również uniknąć tlenu jako niepożądanego produktu ubocznego elektrolizy wody.
„Nasza praca pokazuje, że nasz eksperyment Gedanken może działać w zasadzie” – podsumowuje Wolfgang Schuhmann. „Ale wciąż jesteśmy daleko od technicznej implementacji na skalę przemysłową”.
Od 2007 r. trzy uniwersytety regionu Ruhry ściśle współpracują strategicznie pod parasolem University Alliance Ruhr (UA Ruhr). Łącząc swoje siły, instytucje partnerskie systematycznie zwiększają swoje wyniki. Obecnie istnieje ponad 100 kooperacji w dziedzinie badań, nauczania i administracji, wszystkie oparte na zasadzie „bycia lepszym razem”. Z ponad 120 000 studentów i prawie 1300 profesorów UA Ruhr jest jednym z największych i najlepiej prosperujących centrów nauki i technologii w Niemczech.
Ieva A. Cechanaviciute, Bhawana Kumari, Lars M. Alfes, Corina Andronescu, Wolfgang Schuhmann: Elektrody dyfuzyjne gazu do elektrokatalitycznego utleniania gazowego amoniaku: Przekraczanie kanionu energii azotu, w: Angewandte Chemie International Edition, 2024, DOI: 10.1002/anie.202404348
Wybrane obrazy zostaną pobrane w postaci pliku ZIP.
Podpisy i informacje o zdjęciach są dostępne w pliku HTML po rozpakowaniu.
