Исследователи из Кембриджа работают над увеличением эффективности хорошо известного химического процесса – синтеза аммиака. Результаты их исследования могут оказать существенное влияние, как на сельское хозяйство, так и на энергетический сектор мировой экономики.
Производство аммиака – единственный в настоящее время масштабный промышленный процесс фиксации атмосферного азота
Аммиак является одним из самых важных продуктов крупнотоннажного химического производства, главным образом он применяется в производстве удобрений и азотной кислоты. Наиболее часто применяющийся метод получения аммиака – процесс Габера или Боша-Габера, из аммиака, получающегося таким способом, ежегодно получают около миллиона тонн удобрений ежегодно, что обеспечивает нужды сельского хозяйства около трети населения Земли.
В природе аммиак вырабатывается в результате жизнедеятельности растений (преимущественно бобовых) и бактерий, связывающих атмосферный азот в результате биохимических процессов. Биохимическая фиксация атмосферного азота происходит при обычных температурах и атмосферном давлении, однако для промышленного получения аммиака требуется большое давление (150-250 атмосфер) и высокие температуры (300-550°C). На производство аммиака расходуется около 3-5% природного газа, что составляет 1-2% мировых энергетических запасов.
Стив Дженкинс (Steve Jenkins), принимавший активное участие в исследовании, отмечает, что, хотя процесс Боша-Габера был разработан еще в начале ХХ века, к настоящему времени он практически не изменился. Таким образом, учитывая масштабы производства аммиака, даже незначительное увеличение эффективности получения этого продукта должно приводить к значительному экономическому выигрышу не только на рынке химических удобрений, но и к изменению ситуации на энергетическом рынке.
Ключом для процесса Боша-Габера является катализатор – железо, на котором происходит диссоциация молекулярного азота, образующиеся в результате этой термической диссоциации атомы азота последовательно гидрируются до NH, NH2 и NH3.
За последние десятилетие было проведено большое количество исследований, посвященных исследованию механизма работы катализатора, почему легирование железа некоторыми элементами (например, калием) увеличивает эффективность катализа, и можно ли a priori теоретически предсказать состав и строение эффективного катализатора.
Исследователи из группы Дженкинса решили изучить механизм реакции образования аммиака, взяв высокочистый монокристалл железа и проводя эксперименты при сверхвысоком разрежении.
Это кристалл железа бомбардировали ионами азота, стремясь получить покрытие из ионов азота, расположенных на поверхности железа. Сверхвысокое разрешение позволило исследовать такую поверхность помощью Оже электронной спектроскопии [Auger Electron Spectroscopy (AES)] позволило количественно определить степень заселенности поверхности железа атомами азота, после чего обработали образец молекулярным водородом, нагнетенным при давлении 0.6 миллибар. Это давление конечно невозможно сравнивать с давлением, применяющимся в промышленных процессах получения аммиака, хотя и при таком давлении применять Оже электронную спектроскопию уже не удавалось.
После выдерживания образца в атмосфере водорода в течение нескольких минут (за это время уже успевало пройти гидрирование части атомов азота) в камере с образцом снова создавали ультравысокое разрежение и с помощью спектроскопии AES определяли, какое количество атомов азота осталось связанным с поверхностью образца. После такого измерения образец снова подвергали воздействию водорода, затем снова создавали разрежение и т.д. Несколько таких циклов позволило отобразить скорость гидрирования атомов азота как функцию времени и температуры. Полученные результаты можно использовать для оптимизации стадии гидрирования в промышленном производстве аммиака.
