Импульсный электролиз может добывать азот из воздуха для устойчивого производства удобрений
Азотные удобрения необходимы для современного сельского хозяйства, а такие соединения, как аммиак и мочевина, также широко используются в промышленности. Однако их традиционное производство и использование создают серьёзные экологические проблемы.
Промышленный синтез аммиака по процессу Габера-Боша потребляет огромное количество энергии, а сток избыточных удобрений загрязняет почву и воду. Кроме того, закись азота, побочный продукт производства азотных соединений, является мощным парниковым газом с потенциалом глобального потепления почти в 300 раз выше, чем у диоксида углерода.
«Импульсный электролиз может предложить устойчивую альтернативу», — говорит доктор Даньдань Гао, химик из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU).
«Этот новый метод использует избыточный азот из воздуха и воды в качестве исходного материала, позволяя энергоэффективно производить ценные соединения, такие как аммиак и мочевина».
В статье в журнале Angewandte Chemie International Edition Гао, коллеги из JGU и сотрудники из Харбинского технологического института в Шэньчжэне (Китай) обобщают последние достижения в этой перспективной области и определяют ключевые направления для будущих исследований.
«Предоставляя чёткий обзор достигнутого и того, что ещё предстоит изучить, мы стремимся ускорить прогресс в направлении устойчивого преобразования азота», — объясняет Гао. «В конечном итоге мы хотим помочь превратить отработанный азот в окружающей среде в полезные продукты».
Традиционно аммиак производится по процессу Габера-Боша, который требует высоких температур (от 400 до 500 градусов Цельсия) и давлений, что делает его крайне энергоёмким.
В отличие от этого, импульсный электролиз позволяет получать аммиак и даже мочевину при комнатной температуре с использованием электричества, в идеале получаемого от солнечных или ветровых электростанций. В этом процессе два электрода погружаются в воду, содержащую нитраты или нитриты. При приложении электрического напряжения эти соединения азота восстанавливаются до аммиака.
В отличие от обычного электролиза, импульсный электролиз варьирует напряжение и ток, что не только повышает эффективность реакции, но и может естественным образом соответствовать прерывистому характеру возобновляемых источников энергии.
«Поскольку комплексный обзор этой темы всё ещё отсутствовал, мы проанализировали все доступные исследования по импульсному электролизу и сравнили их результаты», — говорит Гао.
«Наша цель — подчеркнуть потенциал этой экологически значимой технологии и предоставить дорожную карту для будущей работы».
В долгосрочной перспективе Гао предполагает, что импульсный электролиз может помочь переопределить азотный цикл, сделав производство удобрений более чистым, эффективным и лучше соответствующим будущему на основе возобновляемой энергии.