Електрохемиско добивање на амонијак

Високо на листата на молекули што истражувачите од областа на електрохемијата сакаат да ги направат на овој начин е амонијакот. Производството на амонијак е императив за обезбедување храна за растечката светска популација.Клучна состојка во синтетичкото ѓубриво, годишно се произведуваат приближно 175 милиони тони амонијак. Но, огромните количини во кои се произведува и енергетско-интензивната природа на неговото производство, значи дека постројките за амонијак трошат приближно 2% од глобалното производство на енергија и произведуваат сличен дел од глобалните емисии на јаглерод диоксид.

Трошоците за изградба на реактори со висок притисок во голема мера ја насочуваат економската рамнотежа кон изградбата на многу големи, централизирани постројки за амонијак. Голем дел од нашата нееднаквост во пристапот до храна во светот потекнува од фактот дека производството на амонијак е централизирано.Во субсахарска Африка, дистрибутивната инфраструктура е толку лоша што ѓубривото на крајот чини два до три пати повеќе од меѓународниот просек. Ова ја ограничува неговата употреба, што доведува до ниски приноси на земјоделски култури, глад, помала продуктивност на работната сила, помала заработка, што дополнително ја ограничува можноста да си го дозволиме ѓубривото. Со војната во Украина, недостаток на вештачки ѓубрива почувствува и развиениот свет.

Со брзото зголемување на достапноста на обновливата електрична енергија, истражувачите можат да најдат алтернативен пат за добивање на амонијакот, со посредство на литиумски електро-катализатор.

Големиот предизвик на синтезата на амонијак, електрохемиски или друг, е проблемот како да се земе азотот од воздухот и да се раздели неговата молекулата на два дела. Тројната врска што ги држи двата атоми на азот заедно е една од најсилните познати.

Да се потсетиме на еден важен технолошки процес: Во првиот чекор, реакцијата за реформирање пареа-метан, водата и метанот се загреваат преку катализатор што поттикнува размена на атомски партнери, создавајќи добивање на јаглерод диоксид и водород. Водородот потоа реагира со азот преку железен катализатор во процесот Хабер-Бош, именуван по германските хемичари Фриц Хабер кој ја измислил реакцијата и Карл Бош кој ја прилагодил за индустријата.

Она што Хабер го открил беше начин за заобиколување на проблемот дека, на високи температури потребни за разделување на азотот, рамнотежата за формирање на амонијак е поместена многу кон лево.Големиот изум на Хабер беше што сфатил дека нема да добиете амонијак освен„ ако не го притискате“.Ако земете четири молови гас и ги претворите во два, притисокот многу помага- рекол тој.Погоните на Хабер -Бош денес обично работат на притисок од 200-500 атмосфери.

Амонијак направен од воздух, вода и електрична енергија од обновливи извори на амбиентални температури и притисоци, може да се направи каде и да е потребно

Истражувачите со децении се обидуваат да најдат позелени алтернативи за реакцијата Хабер-Бош. Разликата овојпат е енергетскиот пазар кој брзо се менува.Во последните 10 години, станаа достапни сè поевтини обновливи извори на енергија:од 2010 година, цената на сончевата енергија падна за 80%, а енергијата на ветерот за 50%, со изгледи за понатамошни поевтинувања. Тоа го стави фокусот на електрохемиските технологии , користејќи електрони како врвен редуктор.

Многу лаборатории за електрохемиска синтеза првично се фокусираа на хемијата за разделување на водата управувана од обновливи извори, за да произведе проток на чист водород што може да се користи како суровина или гориво. Вториот бран на истражување беше фокусиран на редукција на јаглеродниот диоксид, за претворање на емисиите на јаглерод во корисни производи.Ова истражување има и трета перспектива, а тоа е редукција на азотот. Тоа се исти идеи, ист лабораториски комплет, но различен супстрат и целен производ. Наместо водород, ќелијата би произведувала млаз амонијак.

Главната бариера за производството на амонијак од втората генерација повеќе не е цената на обновливата електрична енергија, туку капиталната цена на ќелиите за електролиза. Електродите со најдобри перформанси за разделување вода користат скапи благородни метали.

Првиот чекор во конвенционалната синтеза на амонијак е да се генерира водород кој ќе се комбинира со азотот за да се добие амонијак. Денес, тој водород доаѓа од метанот, преку реакцијата за реформирање на пареа, управувана од низа гасни горилници кои ги опкружуваат цевките обложени со катализатор во кои се одвива реакцијата.

Реформирањето на пареа е толку ендотермно, што генерира значителен температурен градиент во цевката, што може да доведе до акумулација на јаглерод на површината на катализаторот и блокирање или дури и кинење на цевката.

Во 2019 година, научниците покажаа дека реакцијата може многу поефикасно да се придвижува со омско загревање. Поминувањето на електрична струја низ цевката за реформатор на челичната пареа генерира топлина на самото место, поради електричниот отпор. Добиен е многу близок контакт помеѓу изворот на греење и катализаторот, што ги елиминира сите проблеми со транспортот на топлина и воопшто не се јавува температурен градиент.

Настрана од избегнување на таложење на јаглерод, омското греење нуди многу предности: пример за да се стартува постројката за реформирање на пареа обично е потребно приближно една недела, но системот за загревање со отпор трае околу две минути. Количината на катализаторот може да се намали за ред на големина, а големината на фабриката за два реда на големина.

Наоѓањето алтернативи со пониска цена на електродите од платина и иридиум е долгорочна цел на лабораториите. Во 2005 година, се виде дека молибден сулфидот е силен електро-катализатор за реакцијата на еволуција на водород. Се покажа дека каталитички активниот дел од MoS₂ е по должината на рабовите на катализаторот, наместо неговата рамна површина, што поттикна многу истражувања за развој на наноструктурирани или слоевити материјали на MoS₂ кои го максимизираат процентот на рабовите

Катализаторот треба да биде оксид и треба да биде стабилен до екстремна pH вредност.

Вистинскиот проблем е изгубената енергија поради еволуцијата на кислородот. Ќелиите што ја разделуваат водата произведуваат водород на катодата и кислород на анодата. Ниската ефикасност на страната на реакцијата за еволуција на кислород (OER- oxygen evolution reaction) на разделувачот на вода го прави целиот процес поенергетски интензивен и поскап за извршување.

Знаеме дека катализаторот мора да биде оксид, мора да биде стабилен или во силна киселина или во силен алкален раствор. Електролизерите се користат во едната или другата крајност на pH скалата за да се максимизира ефикасноста, но најактивните OER катализатори не се доволно стабилни под овие услови за долгорочна практична употреба.Еден концепт, се само-заздравувачките катализатори на OER, кои се формираат на самото место и постојано се регенерираат од металните јони во електролитот.

Во меѓувреме, на анодата...

За повеќето електрохемиски процеси - правење водород или амонијак или редукција на јаглерод диоксид - сите очи се вперени кон катодата. Придружната реакција што се одвива на анодата е оксидативен процес кој обично генерира кислород, безопасен нуспроизвод на главниот настан.

Многу луѓе го сметаат кислородот само како отпаден производ. Но, има потенцијално вредни употреби за гасот. Протокот на чист кислород е клучен за концептот на електрани со кислород, кои ги заобиколуваат проблемите со зафаќањето на јаглеродот со согорување на горивото во кислород наместо во воздух. Ако согорувате биомаса во електрана со тој кислород, ќе добиете многу повисок степен на добивање на јаглерод диоксид.

Кои се вредностите на реакцијата на анодата?

Развивани се методи со кои може да се искористи тој кислород за хемиска синтеза, наместо да се обидуваме да комбинираме два атоми на кислород за да создадеме дикислород што е кинетички тешко да се направи. Што ако можеме да го пресретнеме тоа со помош на олефин, за да направиме епоксид?Покрај производството на епоксиди, се покажа дека може да внесе кислород во јаглерод-јаглеродна врска за да направат лактони. Тоа би можело да го направи електролизерот за вода економски поизводлив и поисплатлив.Ние имаме премногу голема потреба за водород – но би можеле да направиме водород кој е навистина евтин додека ко-создаваме лактони кои влегуваат во биоразградлива пластика со голема густина или високо- волуменски епоксиди за да се направи етилен гликол.

Со оглед на тоа што разделувањето на водата допрва треба да се усоврши, и со неговото континуирано потпирање на реакцијата Хабер-Бош, се надеваме дека производството на зелен амонијак од втората генерација е отскочна штица кон крајната цел за производство на амонијак директно со електрохемиски средства. Наместо да се произведува диводород гас, атоми на водород и азот може да се комбинираат на самото место на катодата за да се добие амонијак.

Главниот предизвик е да се најдат начини да се фаворизира производството на амонијак пред формирањето на диводород. Резервоарот на електрони во катодата може да реагира со два протони во раствор за да се создаде водород; или наместо тоа да реагираат со азот за да ја раскинат тројната врска, а исто така да регрутираат шест протони, за да направат две молекули на амонијак. Практично секој катализатор ќе има тенденција да произведува повеќе водород од амонијак.

Во текот на изминатите пет години, се појави прилив на трудови кои се чинеше дека покажуваат катализатори кои можат да произведат малку амонијак во протокот на претежно водороден гас произведен на катодата. Други лаборатории ја тестираа идејата дека добар начин да се потисне производството на водород би било да се елиминира еден главен извор на протони - електролитот. Префрлувајќи се на апротички јонски течен електролит, а потоа само додавајќи ја контролираната количина на вода, киселина или база, тимот покажа дека може да го фаворизира производството на амонијак.

Иако трансформирањето на азот во амонијак е многу тешко, премногу е лесно да се произведат траги од амонијак од други извори на азот. Долгата листа на можни извори на непожелен азот ја вклучува електродата или трагите од NO или NO₂ при снабдувањето со гас.Директното претворање на азотот во две молекули на амонијак на површината на катализаторот е многу тежок проблем .

Само литиум ?

Сигурен е само еден систем кој со сигурност произведува амонијак, а тоа е рутата со посредство на литиум.

Литиумот е единствениот метал кој може спонтано да реагира со азотот за да формира метален нитрид - кинејќи ја тројната врска на азотот во процесот.Пристапот кон амонијакот со посредство на литиум во моментов е единствениот кој без сенка на сомнеж функционира, се согласуваат сите научници. Лошата страна на литиумот е тоа што вклучува голема загуба на енергетска ефикасност, што бара преднапони над 3V., што е многу енергија што ќе се потроши и ќе се изгуби како топлина.

Но, она што го има протоколот е фактот дека тој дефинитивно функционира - и нуди многу насоки за идни истражувања.

Друг електрохемиски начин за добивање на амонијак

Ова е нова стратегија за производство на амонијак и пример за електрохемиски процес на циклус на литиум, кој обезбедува патека до одржлива синтеза на амонијак преку способноста директно да се спојува со обновливите извори на електрична енергија и може да го олесни локализираното производство. Со оглед на тоа што традиционалните водени електрохемиски пристапи обично доминираат од реакцијата на еволуција на водород (HER), може да го заобиколиме HER со користење на постапка која ја одделува редукцијата на N₂ од последователната протонација до NH₃, така што овој метод на синтеза е претежно селективен за производство на амонијак. Трите чекори на овој процес се LiOH електролиза, директна нитридација на Li и егзотермно ослободување на амонијак од Li₃N, кој го репродуцира LiOH, завршувајќи го циклусот. Процесот користи N₂ и H₂O при атмосферски притисок и разумни температури, и со почетна струјна ефикасност од 88,5% на производството на амонијак.