Низькотемпературний регенеративний метод зберігає енергію та ефективно генерує звичайні хімікати. Серед багатьох хімікатів, які ми використовуємо щодня, аміак є одним із найшкідливіших для атмосфери. Хімічна речовина на основі азоту, яка використовується в добривах, барвниках, вибухових речовинах та багатьох інших продуктах, займає друге місце після цементу за рівнем викидів вуглецю через високі температури та енергію, необхідні для його виробництва.
Але вдосконаливши добре відому електрохімічну реакцію та організувавши «симфонію» атомів літію, азоту та водню, інженери Університету штату Іллінойс у Чикаго під керівництвом Мінеша Сінгха розробили новий процес виробництва аміаку, який відповідає кільком екологічним цілям.
Процес, який називається синтезом аміаку за допомогою літію, поєднує газоподібний азот і рідину, що донорує водень, таку як етанол, із зарядженим літієвим електродом. Замість того, щоб розщеплювати молекули газоподібного азоту під дією високої температури та тиску, атоми азоту прилипають до літію, а потім з’єднуються з воднем, утворюючи молекулу аміаку.
Реакція відбувається при низьких температурах, а також є регенеративною, відновлюючи вихідні матеріали з кожним циклом виробництва аміаку.
Наука за процесом
«Є дві петлі, які відбуваються. Один — це регенерація джерела водню, а другий — регенерація літію», — сказав Сінгх, доцент кафедри хімічної інженерії UIC. «У цій реакції є певна симфонія через циклічний процес. Що ми зробили, так це краще зрозуміли цю симфонію та спробували модулювати її дуже ефективним способом, щоб ми могли створити резонанс і змусити його рухатися швидше».
Процес, описаний у статті, опублікованій та розміщеній на обкладинці ACS Applied Materials & Interfaces, є останньою інновацією лабораторії Сінгха у пошуках чистішого аміаку. Раніше його група розробила методи синтезу хімікату за допомогою сонячного світла та стічних вод і створила мідний сітчастий екран з електрифікацією, який зменшує кількість енергії, необхідної для виробництва аміаку.
Їх останній прогрес побудований на реакції, яка навряд чи є новою. Вчені знають про це майже століття.
«Підхід на основі літію насправді можна знайти в будь-якому підручнику з органічної хімії. Це дуже добре відомо”, – сказав Сінгх. «Але зробити цей цикл ефективним і достатньо вибірковим для досягнення економічно обґрунтованих цілей було нашим внеском».
Ці цілі включають високу енергоефективність і низьку вартість. За словами Сінгха, якщо збільшити масштаби, процес вироблятиме аміак приблизно по $450 за тонну, що на 60% дешевше, ніж попередні підходи на основі літію та інші запропоновані екологічні методи. Але вибірковість також важлива, оскільки багато спроб зробити виробництво аміаку чистішим закінчувалися утворенням великої кількості небажаного газу водню.
Екологічні переваги та потенціал використання водневого палива
Результати групи Сінгха є одними з перших, які досягли рівнів селективності та використання енергії, які могли б відповідати стандартам Міністерства енергетики для промислового виробництва аміаку. Сінгх також сказав, що процес, який можна виконувати в модульному реакторі, можна зробити ще екологічнішим, живлячи його електроенергією від сонячних панелей або інших відновлюваних джерел і живлячи реакцію повітрям і водою.
Процес також може допомогти досягти іншої енергетичної мети — використання водню як палива. Досягненню цієї мети завадили труднощі транспортування легкозаймистої рідини.
«Ви хочете, щоб водень вироблявся, транспортувався і доставлявся на водневі насосні станції, звідки водень можна подавати в автомобілі. Але це дуже небезпечно”, – сказав Сінгх. «Аміак може функціонувати як носій водню. Його дуже дешево і безпечно транспортувати, а в пункті призначення ви можете перетворити аміак назад на водень».
Наразі вчені співпрацюють із General Ammonia Co., щоб пілотувати та розширити процес синтезу аміаку за допомогою літію на заводі в районі Чикаго. Офіс управління технологіями UIC подав патент на цей процес.