Если существующий способ изготовления продукции требует значительных 1–2 % от годовых мировых энергетических ресурсов, необходимы изменения. Метод Габера — Боша обеспечивает возможность производства большого объема аммиака (NH 3) — важного химического соединения, находящего широкое применение в сельском хозяйстве, технологических процессах и фармацевтической отрасли, — при этом потребляя много энергии.
Исследовательская группа из Университета Тохоку внесла значительный вклад в разработку альтернативного метода преобразования вредных нитратных загрязнителей в воде в аммиак, что позволяет решить как экологические, так и энергетические проблемы. Команда предлагает эффективный метод очистки загрязнённой воды с помощью катализаторов на основе двойного гидроксида NiCuFe (LDH). Это означает, что вода станет чище, уровень загрязнения снизится, а удобрения и энергетические ресурсы станут более экологичными, что напрямую повлияет на здоровье населения, продовольственную безопасность и защиту климата.
В настоящее время процесс Габера — Боша применяется для производства почти всего промышленного аммиака, используемого в мире, однако он имеет существенные недостатки. Этот процесс не только требует значительных затрат энергии, но и приводит к выбросу углекислого газа, оказывающего негативное воздействие на экологию.
Электрокаталитическая реакция восстановления нитрата (NO3−) (Процесс NitRR представляет собой альтернативный метод получения аммиака, который известен уже продолжительное время, но не получил широкого распространения в связи с низкой эффективностью. Тем не менее, ученые из Института материаловедения Университета Тохоку (WPI-AIMR) разработали решение этой проблемы.
«Нанолисты NiCuFe-LDH с областями, содержащими никель и медь, были разработаны для электровосстановительных процессов, — поясняет профессор Хао Ли (WPI-AIMR). — Показатель эффективности NitRR увеличился с нуля процентов до 94,8 %».
Для объяснения механизма этой реакции, в которой важную роль играют добавленные частицы меди и никеля, исследователи применили вычислительный и теоретический анализ. Также была проведена проверка батареи Zn-NO 3− с использованием нанолистов NiCuFe-LDH, чтобы продемонстрировать её реальную эффективность. Батарея показала очень хорошие результаты: эффективность по Фарадею составила 85,8 %, был получен высокий выход аммиака, а удельная мощность была настолько высокой, что превзошла большинство предыдущих показателей.
Дальнейшие этапы реализации проекта связаны с расширением и более детальным изучением принципов работы процесса. Для подтверждения работоспособности катализатора в реальных условиях, а именно в системах водоснабжения, содержащих нитраты, и в реакторе с непрерывным потоком, необходимо провести практические испытания, что позволит оценить его возможности для промышленного использования.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
[Фото: ©Yuan Wang et al. / Tohoku University]