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:

НОВИНКИ KNAUF НА MOSBUILD 2010

News image

Продукты и технологии КНАУФ будут представлены в ЦВК «Экспоцентр» на Красной Пресне сразу на двух площадках: основном стенде в павильоне «Форум» и в...

БИОКАУЧУКИ LANXESS

News image

Сейчас, после того как LANXESS, крупнейший мировой производитель синтетического каучука, инвестировал 17 миллионов долларов США в первоначальное пуб...

ПЛЕНКИ С ПРОТЕИНОВЫМ ПОКРЫТИЕМ

News image

Трехлетний проект совместных исследований и внедрения нацелен на замену используемых ныне синтетических барьерных для кислорода пленок на протеиновы...

СИНТЕЗ ОКСИДА ПРОПИЛЕНА НА ОСНОВЕ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА

News image

Dow и BASF были отмечены за совместную разработку способа получения оксида пропилена из пероксида водорода. Данная технология, сокращенно именуемая ...

Новые продукты оргсинтеза:

ЗАМЕНИТЕЛИ САХАРА: свойства и применение

News image

К традиционной сладкой продукции относятся сиропы из сока сахарного клена и сахарного сорго; из корней цикория и клубней топинамбура, богатых инулином, при гидролизе которого образуется фруктоза (ле...

ИСЧЕЗАЮЩАЯ НАНО-СТРОКА

News image

Буквы на этой чашке исчезают по мере наливания внутрь неё горячего напитка. Существуют множество других похожих разработок. Так нужно ли пятое колесо , созданное с помощью столь популярных нанотехн...

ЦИКЛ ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ

News image

Цикл лимонной кислоты или цикл Кребса – широко представленный в организмах животных, растений и микробов путь окислительных превращений ди - и трикарбоновых кислот, образующихся в качестве промежуто...

Авторизация



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

Великие химики:

ГАБЕР (Haber), Фриц

News image

Немецкий химик Фриц Габер родился в г. Бреслау (ныне г. Вроцлав, Польша) и был единственным сыном Зигфрида Габера и его первой жены, его кузины Паул...

ОСТВАЛЬД (Ostwald), Фридрих Вильгельм

News image

Немецкий химик Фридрих Вильгельм Оствальд родился в Риге (Латвия). Он был вторым сыном Готфрида Оствальда, искусного бондаря, и Элизабет (Лойкель) О...

Институты химии:

Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН

News image

Распоряжением Академии Наук СССР от 09.04.1968 г. на основании Постановления СМ СССР от 21

Институт органической химии РАН

News image

Институт органической химии РАН был образован 23 февраля 1934 г. путем объединения нескольких лабораторий ведущих отечественных научных школ академи...