Замяна на въглеродното гориво с азот
Химиците откриват нов начин за използване на енергия от амоняк
Изследователски екип от Университета на Уисконсин-Медисън идентифицира нов начин за превръщане на амоняка в азотен газ чрез процес, който може да бъде стъпка към заместване с амоняк на въглеродните горива.
Откриването на тази техника, която използва метален катализатор и освобождава, а не изисква енергия, беше съобщено на 8 ноември 2021 г. в Nature Chemistry и получи временен патент от Wisconsin Alumni Research Foundation.
„В момента световната икономика работи с въглеродно гориво“, обяснява Кристиан Уолън, автор на статията и бивш постдокторант в лабораторията на химика от UW-Madison Джон Бери. „Това не е желана икономика, защото изгаряме въглеводороди, които отделят въглероден диоксид в атмосферата. Нямаме открит начин да затворим въглеродния цикъл, при който въглеродния диоксид да се транформира обратно в полезно гориво.“
За да се придвижат към целта на ООН за въглероден неутралитет до 2050 г., учените трябва да обмислят екологично отговорни начини за създаване на енергия от елементи, различни от въглерода, а екипът на UW-Madison предлага икономика на азотната енергия, основана на взаимно преобразуване на азот и амоняк.
Учените са развълнувани да открият, че добавянето на амоняк към метален катализатор, съдържащ платиноподобния елемент рутений, спонтанно произвежда азот, което означава, че не се изисква допълнителна енергия. Вместо това този процес може да бъде използван за производство на електричество с протони и азотен газ като странични продукти. В допълнение, металният комплекс може да се рециклира чрез излагане на кислород и да се използва многократно, всичко това е много по-чист процес от използването на въглеродни горива.
„Разбрахме, че не само произвеждаме азот, но го правим при условия, които са напълно безпрецедентни“, казва Бери, който е професор по химия и фокусира изследователските си усилия върху химията на преходните метали. „Да можеш да завършиш реакцията амоняк към азот при условия на околна среда и да получиш енергия е доста голяма работа.”
Амонякът се използва като източник на гориво от много години. По време на Втората световна война той е бил използван в автомобилите и днес учените обмислят начини да го изгорят в двигатели като заместител на бензина, особено в морската индустрия. По принцип при изгарянето на амоняк се отделят азотен оксид, който е токсичен.
Новата реакция избягва тези токсични странични продукти. Ако реакцията бъде поставена в горивна клетка, където амоняк и рутений реагират на повърхността на електрода, тя би могла да произвежда чисто електричество без нужда от каталитичен преобразувател.
„В една горивна клетка ние имаме производство на електричество на изхода, а не влагане на входа“, казва Уолън. „Открихме химически съединения, които катализират превръщането на амоняка в азот при стайна температура, без приложено напрежение или добавени химикали. Това е първият процес, доколкото знаем, който прави това.“
„Имаме изградена инфраструктура за разпространение на амоняк, който вече се произвежда масово от азот и водород чрез процеса на Хабер-Бош“, казва Майкъл Тренери, студент и автор на статията. „Тази технология може да позволи икономика без въглеводородни горива, но това е половината от пъзела. Един от недостатъците на синтеза на амоняк е, че водородът, който използваме за производството на амоняк, идва от природен газ и изкопаеми горива.”
Тази тенденция обаче се променя, тъй като производителите на амоняк се опитват да произвеждат „зелен“ амоняк, в който водородните атоми се доставят чрез въглеродно неутрален процес, водна електролиза, вместо енергоемкия процес на Хабер-Бош.
Тъй като предизвикателствата при синтеза на амоняк са намерили решение, според Бери ще има много ползи от използването му като общ енергиен източник или гориво. Той може да се сгъстява, като пропана, лесен е за транспортиране и лесен за съхранение. Въпреки че някои амонячни горивни клетки вече съществуват, те, за разлика от този нов процес, изискват допълнителна енергия, например, като първо разделят амоняка на азот и водород.
Следващите стъпки на групата включват иновация за това как да се създаде горивна клетка, която да се възползва от новото откритие и обмисляне на екологосъобразни начини за създаване на необходимите изходни материали.
„Едно от следващите предизвикателства, за които бих искал да мисля, е как да генерирам амоняк от вода, вместо от водороден газ“, казва Тренери. „Мечтата ни е да използваме вода, въздух и слънчева светлина, за да създадем гориво.”
Източник: SciTechDaily
