Фундаментальный прорыв в химии может сделать аммиак экологически чистым топливом, что может помочь обезуглероживанию всей химической промышленности. Исследователи из Университета Райса создали небольшое устройство на светодиодной основе, которое преобразует аммиак в водород при обычных температуре и давлении. В нем используется фотокатализатор с легким приводом, который так же эффективен, как и дорогие термические катализаторы, для работы которых требуются температуры в тысячу градусов. Новый фотокатализатор изготовлен из более дешевых меди и железа. Пока это только начало технологии, которая может радикально снизить затраты и энергопотребление в промышленной химии.
Водород — очень многообещающее экологически чистое топливо. Однако он относительно дорог в получении, и сложен в обращении, поскольку это сверхлегкий газ, который необходимо сжать до 700 атмосфер или же криогенно охладить в пределах абсолютного нуля, чтобы достичь его жидкого состояния. Другими словами, мало получить водород, нужно еще подумать как его хранить и транспортировать, а это точно не идет на пользу распространению этого топлива.
Почему аммиак?
Известно, что аммиак является лучшим переносчиком водорода — каждый из его атомов азота связывает три атома водорода, и хотя он едкий и чрезвычайно опасный (в высоких концентрациях), это стабильная жидкость при обычных температурах и давлениях, а его широкое применение во многих отраслях промышленности означает, что в промышленности есть большой опыт обращения с ним, причем безопасно и в широком диапазоне условий.
Аммиак может отлично переносить водород, но если вы хотите использовать этот водород, вам нужно «поломать» его, чтобы извлечь водород и выпустить безвредный азот обратно в атмосферу. Это было сложно по двум основным причинам: во-первых, реакция является эндотермической, поэтому большая часть крекинга* аммиака проводится на крупных установках, работающих при температурах не менее 650-1000 °C (1200-1800 °F). Во-вторых, термическими катализаторами, необходимыми для операций крекинга, обычно являются металлы платиновой группы, такие как рутений, например, – они относительно редкие и дорогие.
Поскольку движение за экологичный водород набирает обороты как ключевая основа перехода к чистой энергии, можно понять, почему команда Университета Райса взволнована тем, что обнаружила простой и эффективный способ ускорить реакцию крекинга при комнатной температуре, используя только медь и железо.
Как работает новый фотокатализатор
Все сводится к фотокаталитике; эта команда уже более 30 лет работает над созданием плазмонных фотокатализаторов типа «антенна-реактор». Это наночастицы катализатора, усеянные маленькими комочками материала — «антеннами», предназначенного для увеличения способности катализатора поглощать свет. Правильно настроенные, эти антенно-реакторные частицы поглощают энергию окружающего света – будь то солнечный свет или свет от низкоэнергетических светодиодов — и выбрасывают короткоживущие «горячие электроны» с энергией, достаточной для запуска эффективной химической реакции даже при температуре окружающей среды. Антенно-реакторные фотокатализаторы могут быть сконструированы для любого вида реакций.
Этот фотокатализатор, расщепляющий аммиак, использует железо в качестве реактора и медь в качестве светосборной антенны — оба металла дешевые и распространенные, в отличие от типичных медно-рутениевых термических катализаторов, используемых сегодня. В ходе лабораторных испытаний, по словам выпускника Райс и соавтора исследования Хоссейна Робатджази, «при освещении медно-железный катализатор продемонстрировал эффективность и реакционную способность, которые были подобны и сопоставимы с медно-рутениевыми.
Первоначальные испытания проводились с использованием света, подаваемого лазерами, в крошечной экспериментальной установке. Но соавтор исследования Наоми Халас также является соучредителем Syzygy Plasmonics, хорошо финансируемой компании, созданной для коммерциализации работы команды Райса, и Syzygy смогла лицензировать этот конкретный катализатор и построить испытательную установку примерно в 500 раз больше, используя более эффективное, с точки зрения цены, светодиодное освещение вместо лазеров. Катализатор остался таким же эффективным.
“Это первое исследование в научной литературе, показывающее, что фотокатализ с использованием светодиодов может производить газообразный водород из аммиака”, — сказал Халас.
Оно открывает возможности для полной замены драгоценных или редкоземельных металлов в плазмонном фотокатализе.
Итак, возвращаясь к тому, почему это важно — медно-железный фотокатализатор должен значительно удешевить и упростить извлечение водорода из аммиака. Но он также сможет работать без необходимости нагрева, так что также будет сэкономить энергия и сокращать выбросы.
Возможно, и это самое главное, ученые смогут создать устройство для крекинга аммиака, которое будет небольшим, надежным, легким и будет работать при обычной температуре, а не при нагреве в сотни градусов. Представители Syzygy говорят, что первоначальное устройство для фотокаталитического реактора Rigel размером с небольшую стиральную машину перерабатывает около тонны аммиака в день, в зависимости от конкретной реакции, которую он запускает. Они могут быть объединены в «батареи»; т.е. вы сможете запустить несколько приборов одновременно, если вам нужна большая производительность.
Другими словами, теперь появляется возможность установки подобных топливных элементов на электрическом грузовом судне, превращая легко хранящийся аммиак в легко используемый водород прямо там, где это необходимо. Это само по себе могло бы стать абсолютно революционным решением, радикально расширив ассортимент экологически чистых грузовых и пассажирских перевозок.
Ученые сейчас работают над миниатюризацией технологии, чтобы устройства стали достаточно небольшими и легкими, чтобы стать актуальными и в авиации, где плотность энергии водорода, хранящегося в аммиаке, может открыть показатели дальности полета, которые в настоящее время недоступны без использования реактивного топлива. Возможно, со временем он станет достаточно маленьким, чтобы поместиться и в автомобиль, который можно заправить аммиаком на заправочной станции.
И это только один вид фотокатализатора; команды Rice и Syzygy, безусловно, на этом не останавливаются. Цель разработчиков — устранить термические катализаторы от работы в промышленности везде, где это возможно.
“Учитывая их потенциал в значительном сокращении выбросов углерода в химическом секторе, плазмонные антенно-реакторные фотокатализаторы заслуживают дальнейшего изучения”, — добавила другой соавтор, Эмили Картер.
Эти результаты — отличный мотиватор. Они предполагают, что, вероятно, другие комбинации распространенных металлов могут быть использованы в качестве экономически эффективных катализаторов для широкого спектра химических реакций .
«Катализ — это основа химической промышленности, — говорит еще один соавтор и соучредитель Syzygy Питер Нордландер, — и это одна из самых энергозатратных частей экономики».
В своей работе мы показываем, что химия на основе светодиодов реальна, и это вполне масштабируемая технология. Она может химической промышленности…
В команде Syzygy говорят, что уже проверили работоспособность реакции в полевых условиях и ожидают, что подобные реакторы для фотокаталитического крекинга аммиака будут доступны для коммерческого использования в 2023 году.
Это очень захватывающая технология, обладающая огромным потенциалом в различных отраслях промышленности и способствующая сокращению выбросов углекислого газа.
Статьи по теме: В Китае появится крупнейший в мире завод по производству водорода
Nota bene
Крекинг — разложение продуктов в специальных установках при температуре свыше 400°С, во многих случаях — с применением высокого давления и катализатора; при крекировании происходит расщепление тяжелых малоценных продуктов на более ценные. Основная сфера применения — переработка нефти.
Источник:
https://news.rice.edu/news/2022/rice-labs-catalyst-could-be-key-hydrogen-economy
