Пробивът в електролизата на зелен амоняк може най-накрая да убие Хабер-Бош

Сподели

Учени от австралийския университет Монаш твърдят, че са направили критичен пробив в производството на зелен амоняк, който може да измести изключително мръсния процес на Хабер-Бош, с потенциал да елиминира почти два процента от глобалните парникови емисии.

Амонякът е един от най-силно произвежданите промишлени химикали в света и е абсолютно жизненоважен за съвременното общество. В момента по-голямата част от амоняка се използва като селскостопански тор, но също така се използва в пластмаси, влакна, експлозиви, фармацевтични продукти и други области.

Глобалната амонячна индустрия изпомпва над 230 милиона тона амоняк годишно и търсенето може да се увеличи с напредването на надпреварата за нетни нулеви емисии; амонякът съхранява толкова много енергия, че се предлага като зелено гориво с висока плътност за трудни за декарбонизиране сектори като корабоплаването и авиацията.

Почти целият амоняк, произвеждан днес, се произвежда по цикъла на Хабер-Бош. Природен газ метан се използва за производство на водород (освобождаване на шест тона въглероден диоксид за всеки 1,1 тона водород), след което този водород реагира с атмосферния азот за производство на амоняк, обикновено изгаряйки повече природен газ, за ​​да осигури необходимата топлина и налягане за реакцията .

Почти цялото настоящо производство на амоняк в света използва мръсен, реформиран с пара водород и огромно количество енергия чрез процеса на Haber-Bosch

Това не само води до приблизително 1,8% от глобалния CO2 емисиите, той също така е отговорен за замърсяването на подземните води с нитрати и изхвърля огромни количества опасни емисии на азотен оксид в атмосферата. Да не говорим, че той консумира между три до пет процента от общото производство на природен газ в световен мащаб, а самият процес на добив на газ изхвърля емисиите на метан директно във въздуха, където действа като изключително мощен парников газ.

Накратко, Haber-Bosch трябва да бъде поставен в леглото, ако искаме да стигнем до нетни нулеви емисии. И изследователи от университета Монаш казват, че повече или по-малко са се натъкнали на начин да премахнат изцяло природния газ от уравнението, като същевременно произвеждат амоняк „при стайна температура, при високи, практически скорости и ефективност“.

Докато работи по отделен проект, опитващ се да направи белина от солена вода чрез електролиза, д-р Брайън Сурианто работи с професор Дъг Макфарлейн, експерт по фосфониеви соли, и реши да проведе някои странични експерименти, за да види дали тези йонни течности могат да бъдат използвани за производство на амоняк в електролитен процес. За всеобща изненада можеха.

Тетраедричните фосфониеви молекули транспортират водородни йони от анода до катода, където заменят литиевите атоми в литиевия нитрид, за да образуват амонячни молекули
Тетраедричните фосфониеви молекули транспортират водородни йони от анода до катода, където заменят литиевите атоми в литиевия нитрид, за да образуват амонячни молекули

ACES електроматериали

„Честно казано, моментът на еврика всъщност не беше „Еврика!“, а по-скоро като „Сигурни ли сте? Мисля, че трябва да го направите отново“, казва професор Макфарлейн. „Отнема много време, за да повярвам наистина. Не знам дали все още сме правили празненство. Стартирането на нашата отделена компания вероятно ще бъде времето, когато наистина празнуваме всичко това.”

Процесът, казва сътрудникът д-р Александър Симонов, е „много подобен на това, което се случва във воден електролизатор за производство на водород – разликата е, че използваме електролити, които са познати в света на литиевите батерии. Когато ток се прилага през електролитна клетка, съдържаща такива електролити, а също и разтворен азотен газ, съединение, наречено литиев нитрид (Li₃N) се намира на повърхността на катода.Електролитът трябва също да съдържа носител на водородните йони или протони … [in our paper] ние показахме, че фосфониевите соли могат да действат като такива протонни носители за производство на амоняк по високоефективен начин.”

Когато водородните йони пристигат на катода, те изместват литиевите атоми във всяка молекула на литиевия нитрид, създавайки NH₃ – или амоняк. Това се освобождава от повърхността на катода и се улавя. „Фосфониевите цикли между двата електрода“, казва Симонов, „доставяйки своите протони на катода и се попълва с нов протон на анода, създавайки непрекъснат процес, който можем да изпълняваме до четири дни“.

Молекулите носители на фосфониевата сол се въртят напред-назад между анода и катода, доставяйки водородни молекули за създаване на амоняк
Молекулите носители на фосфониевата сол се въртят напред-назад между анода и катода, доставяйки водородни молекули за създаване на амоняк

ACES електроматериали

Процесът е толкова чист, колкото електричеството, използвано за захранването му, и произвежда около 53 наномола амоняк в секунда, при ефективност на Фарадей около 69 процента. В най-високата докладвана предишна ефективност за електролиза на амоняк е около 60 процента, според Hollevoat et al. през 2020 г., с изключение на един друг подход за литиево колоездене, който се справи с около 88 процента, но изисква високи температури около 450 °C (842 °F).

Екипът казва, че е изключително мащабируем, способен да работи или в промишлен мащаб, или в изключително малки операции на място. „Те могат да бъдат толкова малки, колкото дебел iPad“, казва Макфарлейн, „и това би могло да направи малко количество амоняк непрекъснато, за да управлявате търговска оранжерия или хидропоника, например.“

Този вид разпределен производствен модел, както проучихме, разглеждайки модулните производствени единици на FuelPositive с размер на контейнер, би имал допълнителни ползи, тъй като ще елиминира разпространението и транспорта, които допринасят значително за финансовите разходи и разходите за емисии на настоящия модел на амоняк. Предимството на този нов процес е, че това е една стъпка, не изисква процес на водородна електролиза по-рано във веригата. Предполага се, че това ще го направи по-енергийно ефективен, като ще даде повече амоняк на единица енергия от възобновяеми източници.

Изследователят Хоанг-Лонг Ду демонстрира прототипа в лабораторията
Изследователят Хоанг-Лонг Ду демонстрира прототипа в лабораторията

ACES електроматериали

Екипът е патентовал технологията и е отделил бизнес, Jupiter Ionics, за да го комерсиализира, привличайки начален кръг от 1,8 милиона щатски долара, за да започне нещата.

Ще ни е интересно да разберем как ще изглежда цената, както и какво влиза в тези специфични фосфониеви соли, колко дълго ще издържат солените разтвори при постоянни производствени условия, какъв ще бъде процесът за подмяната им и изхвърлянето им да бъдат и дали има някакви негативни екологични проблеми, които трябва да бъдат взети предвид при тяхното производство.

Все пак Хабер-Бош трябва да умре и ако тази технология на йониката на Юпитер може да помогне за поставянето на вилица в нея, светът ще бъде по-добре.

Изследването е публикувано в списанието наука. Вижте кратко видео по-долу.

Ново изследване от проекта Monash Ammonia

Източници: Университет Монаш, Йони на Юпитер

.

Публикациите се превеждат автоматично с google translate


Сподели