تولید آمونیاک پاک از هوا با مهار رعد و برق مصنوعی

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، ما در حال حاضر از آمونیاک زیادی برای تولید کود، مبرد‌ها و سایر مواد شیمیایی استفاده می‌کنیم و متأسفانه برای تولید انبوه آن به شدت به یک فرآیند انرژی‌بر - فرآیند هابر-بوش - که در قرن نوزدهم توسعه یافت، متکی هستیم.

تلاش‌های زیادی برای یافتن راه‌های سبزتر برای تولید آمونیاک در حال انجام است، اما این روش جدید از دانشگاه سیدنی ممکن است هیجان‌انگیزترین آنها باشد: محققان در آنجا از رعد و برق ساخته دست بشر برای تولید این ترکیب به شکل گازی از هوا استفاده می‌کنند.

این روش جدید به انرژی زیادی نیاز ندارد، به سوخت‌های فسیلی یا مواد اولیه گران‌قیمت نیز نیازی ندارد و تأثیر زیست‌محیطی آن به طور قابل توجهی کمتر است - مورد دوم با توجه به مقیاس تولید و استفاده آمونیاک در سراسر جهان، بسیار مهم است.

برگردیم به موضوع جالب: رعد و برق مصنوعی! اتفاقی که در ابتدای این فرآیند می‌افتد این است که از الکتریسیته برای تحریک مولکول‌های نیتروژن و اکسیژن مستقیماً از هوا استفاده می‌شود. این فقط گرم کردن آنها نیست؛ بلکه به آنها انرژی می‌دهد تا پیوند‌های قوی خود را بشکنند و در فاز پلاسما واکنش‌پذیرتر شوند.

این شبیه به برخورد صاعقه است، که در آن صاعقه الکترون‌ها را از مولکول‌های هوا جدا می‌کند تا یک کانال پلاسمای رسانا در هوا ایجاد کند. سپس مولکول‌های اکسید نیتروژن فعال (NOx) حاصل از آن عملیات پلاسما به یک الکترولیزکننده مبتنی بر غشاء مخصوص منتقل می‌شوند.

درون این الکترولیز، یک کاتالیزور منحصر‌به‌فرد به نام نانوذرات Fe۲O۳ با نقص بالا روی مس وجود دارد. این کاتالیزور دارای مکان‌های فعال ویژه‌ای به نام «جای خالی اکسیژن» است - اینها مانند شکاف‌ها یا نقص‌های کوچکی روی سطح آن هستند که آن را بسیار واکنش‌پذیر می‌کنند و نقاطی را برای اتصال مولکول‌های NOx فراهم می‌کنند.

وقتی مولکول‌های NOx با این کاتالیزور تماس پیدا می‌کنند، دچار یک واکنش کاهش الکتروشیمیایی می‌شوند. در اصل، اتم‌های هیدروژن به طور متوالی به گونه‌های حاوی نیتروژن اضافه می‌شوند. این فرآیند تا حد زیادی از یک مسیر شیمیایی بهینه که به عنوان "مسیر NHO" شناخته می‌شود، پیروی می‌کند.

این کاتالیزور به طور قابل توجهی انرژی مورد نیاز برای این مراحل کلیدی که در آن هیدروژن اضافه می‌شود را کاهش می‌دهد و تبدیل به آمونیاک را بسیار آسان‌تر و کارآمدتر از استفاده صرف از مس می‌کند.

نتیجه، تولید مستقیم آمونیاک گازی (NH۳) است. از آنجا که آمونیاک به صورت گاز تولید می‌شود، می‌توان آن را به راحتی جدا و جمع‌آوری کرد و از مشکلات حل شدن در مایعات و مراحل جداسازی بعدی جلوگیری کرد - که این امر آن را بسیار آسان‌تر از فرآیند هابر-بوش می‌کند.

پروفسور پی. جی. کالن، محقق ارشد، گفت: «در حال حاضر، تولید آمونیاک نیاز به تولید متمرکز و حمل و نقل محصول در مسافت‌های طولانی دارد. ما به یک «آمونیاک سبز» کم‌هزینه، غیرمتمرکز و مقیاس‌پذیر نیاز داریم.» با توجه به اینکه این روش به دما و فشار بالا یا حتی نیتروژن و هیدروژن با خلوص بالا نیاز ندارد، به نظر می‌رسد که تیم مهندسی شیمی ممکن است موفق شده باشد.

این گروه در ماه آوریل مقاله‌ای در مورد این روش در مجله AngewandteChemie International Edition منتشر کرد. پروفسور کالن گفت: «برای ایجاد یک راه‌حل کامل‌تر برای تولید پایدار آمونیاک، باید بهره‌وری انرژی بخش الکترولیز را افزایش دهیم.» هدف این است که این روش از نظر انرژی کارآمدتر از فرآیند هابر-بوش باشد.

در کنار کار تیم سیدنی، محققان در سایر نقاط جهان در تلاشند تا تولید آمونیاک را به روش‌های مختلف سبز کنند، به این امید که سهم عظیم ۱ درصدی آن را در انتشار گاز‌های گلخانه‌ای کره زمین کاهش دهند. گروهی در MIT در حال بررسی «دم کردن» آمونیاک در زیر سطح زمین هستند و شیمیدانان دانشگاه نیو ساوت ولز در حال به کارگیری هوش مصنوعی برای حل مشکل شناسایی یک کاتالیزور مناسب از بین ۸۰۰۰ گزینه هستند؛ و سال گذشته، محققان دانشگاه استنفورد دستگاه قابل حملی را توسعه دادند که می‌تواند آمونیاک را در هر مکانی و در دمای اتاق تولید کند.