Современная химия




Новые сведения о синтезе аммиака

новые сведения о синтезе аммиака

Ученые из Кембриджского университета работают над увеличением эффективности процесса синтеза аммиака. 3-5% природного газа в мире используется для создания искусственных удобрений, новое исследование может иметь серьезные последствия для сельскохозяйственного и энергетического секторов.

Аммиак (NH3) - является одним из наиболее важных химических веществ в современном мире, в основном, благодаря его использованию в производстве искусственных удобрений, которых производится более 100 млн. тонн в год, и которые обеспечивают продовольствием одну треть жителей Земли.

В природе, аммиак производится растениями (преимущественно бобовыми) и некоторыми бактериями, которые извлекают азот из атмосферы в процессе, известном как фиксация азота. Она происходит при комнатной температуре и нормальном давлении, но искусственная фиксация азота (по Габеру-Бошу) для производства огромных количеств аммиака, необходимого для удовлетворения глобальных запросов, требует высоких давлений (150-250 атмосфер) и высоких температур (300-550 градусов Цельсия). Как говорилось ранее, около 3-5% добычи природного газа в мире, потребляются в цикле Габера-Боша, что составляет около 1-2% от антропогенных поставок энергии в мире.

Стив Дженкинс, доктор химического факультета Кембриджского университета и один из соавторов работы, утверждает, что цикл Хабера-Боша был разработан в начале двадцатого века, и мало изменился с тех пор, очевидно, учитывая массовый масштаб мирового производства аммиака, что даже крошечные улучшения эффективности процесса его синтеза, могут иметь огромные последствия не только для экономики производства удобрений, но и для глобального спроса на энергию.

Одним из ключевых соединений, позволяющих проводить такой цикл, является железный катализатор, который стимулирует диссоциацию молекул N2, а также предоставляет платформу, на которой атомы азота последовательно гидрогенизируются с образованием NH, NH2 и, наконец, NH3. В течении десятилетий тратилось много сил для улучшения нашего понимания того, каким образом железный катализатор работает, почему добавление таких элементов как калий, улучшает его свойства, и поиск закономерностей, которые могли бы нам подсказать лучший и более эффективный катализатор.

Говорит д-р Дженкинс: Раньше, для изучения такого катализа, требовался образец монокристаллического железа высокой чистоты, и как правило, эксперименты проходили в ультра высоком вакууме (УВВ), т.е. в условиях, где давление составляет менее одной миллионной миллионной атмосферы. Мы смогли использовать некоторые из привлекательных особенностей тех испытаний в своих экспериментах, но при большем давлении .

Вначале, для создания на поверхности железного катализатора слоя из атомов азота (до плотности чуть более одного атома азота на два атома железа поверхностного слоя), ученые подвергли железный образец воздействию ионов азота. В (УВВ) условиях, возможно использовать оже-электронную спектроскопию (ОЭС) для определения количества азота на поверхности катализатора. Затем, ученые обрабатывали образец газообразным водородом (H2) при давлении до 0,6 мбар в течении нескольких минут. Это очень низкое давление по сравнению с промышленными условиями, но его достаточно для довольно быстрого протекания реакции.

Недостатком использования давления отличного от ультра высокого вакуума является то, что в таких условиях не возможно использовать оже-электронную спектроскопию во время реакции, но эту проблему можно обойти работая эпизодически. После экспозиции в несколько минут, они эвакуируют экспериментальную камеру и быстро возвращаются к глубокому вакууму оценивая количество азота на поверхности с помощью ОЭС, затем реакцию с H2 повторяют. Проделав такие изменения несколько раз, ученые могут изучить зависимость падения концентрации азота на поверхности катализатора, от времени и температуры. Такая гидрогенизация проходит с количеством азота, предварительно нанесенного на не большую поверхность, при этом ученые понимают, что они никогда не произведут достаточного количества аммиака, чем количество способное охватить небольшую часть поверхности катализатора при температуре и давлении реакции, участвующие в работе, но при этом, они знают, что эксперимент моделирует одну из ступенек промышленного цикла, которая определяет общую скорость процесса.

Профессор химического факультета Кембриджского университета сэр Дэвид Кинг, говорит: Интересно, что благодаря данным полученным в экспериментах мы обнаружили, что реакция ускоряется на 20%, если добавить немного калия на поверхность. Такой же результат наблюдается и в цикле Габера-Боша в условиях минимального производства аммиака, когда определяющей стадией является диссоциация N2. Но результаты также позволяют предположить, что в определенных условиях, а именно, когда давление аммиака поддерживается на низком уровне, стадия гидрирования (от N к NH к NH2 к NH3) может, на самом деле, быть самой важной. Стоит сказать о еще одном важном аспекте текущей работы, который состоит в том, что работа с железом заключает в себе большие трудности по сравнению с другими металлами, используемыми в катализе, такими как платина, медь, никель. Железо чрезвычайно склонно к высоким содержаниям примесей, которые могут мешать протеканию реакции уменьшая катализирующие свойства металла.

Ранее были необходимы месяцы усилий для очистки образца, с помощью водорода, распыления ионов аргона, отжига, и очистки кислородом. Кроме того, предыдущая работа с железным монокристаллом в условиях ультравысокого вакуума (работа Герхарда Эртлья) требовало насыщать приповерхностную область материала азотом, для предотвращения диффузии азота в объем. Работая с более высоким давлением водорода, мы можем оперировать более низкими температурами, препятствуя появлению многих проблем ,- говорят исследователи.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Новинки полимеров:

ТЕХНОЛОГИЯ УСИЛЕНИЯ ЗДАНИЙ УГЛЕВОЛОКНИСТЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

News image

Углеродные волокна (УВ) – органический материал, содержащий 92 - 99,99 % углерода. Углеродные волокна получают путем ступенчатой термообработки разл...

ПЕНОПОЛИСТИРОЛ В НАВЕСНЫХ ВЕНТИЛИРУЕМЫХ ФАСАДАХ

News image

Это относится как к реконструкционным работам, так и к новому строительству. Многоквартирный жилой дом, сооруженный в 50-х годах прошлого века, и со...

НОВЫЕ ДОБАВКИ LANXESS ДЛЯ ШИННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

News image

ДФГ широко используется в производстве топливосберегающих силиконовых шин, но не подходит для комбинации с силанами, такими как Si 363. Более того, ...

ИННОВАЦИИ В ЭКСТРУЗИИ: система RSFgenius

News image

Нарушения в работе линии, её простои неизбежно ведут к сокращению доходов от производства. Поэтому наряду с такими компонентами, как экструдер, форм...

Новые продукты оргсинтеза:

СИЛИКОНЫ ДЛЯ ОСТЕКЛЕНИЯ

News image

В первую очередь рассмотрим главные технические понятия, с помощью которых приводятся характеристики строительных герметиков. Позже рассмотрим характерные свойства отдельных типов силиконов, фокусир...

НОВЫЕ ВИДЫ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

News image

На практике традиционные поверхностно-активные вещества обычно включают в себя гидрофобную цепь, прикрепленную к сравнительно компактной полярной или гидрофильной головке.

ПИЩЕВЫЕ ПОЛИОЛЫ: виды, свойства, применение

News image

В последнее время - путем полной или частичной гидрогенизации продуктов с использованием высокомальтозной патоки.

Авторизация



YOU ARE HERE: Главная - Новости неорганической химии - Новые сведения о синтезе аммиака

Великие химики:

ЖОЛИО-КЮРИ (Joliot-Curie), Ирен

News image

Французский физик Ирен Жолио-Кюри родилась в Париже. Она была старшей из двух дочерей Пьера Кюри и Марии Склодовской-Кюри. Мари Кюри впервые получил...

ВИЛЬШТЕТТЕР (Willstatter), Рихард Мартин

News image

Немецкий химик Рихард Мартин Вильштеттер родился в Карлсруэ, в семье торговца тканями Макса Вильштеттера и Софьи (Ульман) Вильштеттер. Он окончил шк...

Институты химии:

Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова РАН

News image

Казанская химическая школа ведет свою историю с первой половины ХIХ века. Она получила всемирное признание благодаря плеяде выдающихся химиков Казан...

Институт химии растворов (ИХР РАН)

News image

Институт химии растворов (ИХР РАН)- это единственное научное учреждение Российской академии наук, основным направлением научно-исследовательской дея...