Nowa metoda wytwarzania amoniaku wykorzystująca wyjątkową moc ciekłego metalu może doprowadzić do znaczącego ograniczenia emisji dwutlenku węgla powstającej w wyniku produkcji tego powszechnie stosowanego związku chemicznego.
Amoniak jest stosowany w nawozach służących do uprawy dużej części naszej żywności, ale odgrywa również ważną rolę w czystej energii jako nośnik umożliwiający bezpieczny transport wodoru.
Globalna produkcja amoniaku wiąże się jednak z wysokimi kosztami dla środowiska: pochłania ponad 2% globalnej energii i generuje do 2% globalnej emisji dwutlenku węgla.
Dr Karma Zuraiqi, pracownik naukowy RMIT i główna autorka badań, powiedziała, że ich bardziej ekologiczna alternatywa wymaga o 20% mniej ciepła i 98% niższego ciśnienia niż stosowany do dziś stuletni proces Habera-Boscha służący do rozszczepiania azotu i wodoru na amoniak.
„Produkcja amoniaku na całym świecie odpowiada obecnie za emisję dwukrotnie większą niż w Australii. Jeśli uda nam się ulepszyć ten proces i zmniejszyć jego energochłonność, możemy znacznie zmniejszyć emisję dwutlenku węgla” — powiedział Zuraiqi ze School of Engineering.
Wyniki badania prowadzonego przez RMIT opublikowane w Kataliza natury wykazują, że ich metoda niskoenergetyczna jest równie skuteczna w produkcji amoniaku co obecny złoty standard, opierając się w większym stopniu na efektywnych katalizatorach z ciekłych metali, a w mniejszym na sile ciśnienia.
„Miedź i gal, których używamy, są również znacznie tańsze i bardziej powszechne niż metal szlachetny ruten używany jako katalizator w obecnych podejściach” — powiedział Zuraiqi. „Wszystkie te zalety sprawiają, że jest to ekscytujące nowe odkrycie, które chętnie rozwiniemy i przetestujemy poza laboratorium”.
Ciekły metal na ratunek
Zespół, do którego należy profesor Torben Daeneke z RMIT, jest pionierem w wykorzystywaniu szczególnych właściwości katalizatorów z ciekłych metali do produkcji amoniaku, wychwytywania dwutlenku węgla i wytwarzania energii.
Katalizator to substancja, która przyspiesza i ułatwia przebieg reakcji chemicznych, nie ulegając przy tym zużyciu.
Najnowsze badania zaprezentują nową technikę tworzenia maleńkich kropelek ciekłego metalu zawierających miedź i gal – nazwanych „nanoplanetami” ze względu na ich twardą skorupę, ciekłe jądro zewnętrzne i stałą strukturę jądra wewnętrznego – jako katalizatora rozkładającego podstawowe składniki azotu i wodoru.
„Ciekłe metale pozwalają nam przemieszczać pierwiastki chemiczne w bardziej dynamiczny sposób, który przenosi wszystko na interfejs i umożliwia bardziej wydajne reakcje, idealne do katalizy” — powiedział Daeneke.
„Miedź i gal oddzielnie były odrzucane jako znane złe katalizatory do produkcji amoniaku, ale razem spełniają swoje zadanie niezwykle dobrze”.
Testy wykazały, że gal rozbija azot, a obecność miedzi pomaga w rozszczepianiu wodoru, co łącznie daje równie skuteczne rozwiązanie jak obecnie stosowane, ale kosztuje znacznie mniej.
„Zasadniczo znaleźliśmy sposób na wykorzystanie synergii między dwoma metalami, zwiększając ich indywidualną aktywność” — powiedział Daeneke.
Komercjalizacją tej technologii zajmuje się obecnie RMIT, którego współwłaścicielami są RMIT i QUT.
Upscale dla przemysłu
Chociaż amoniak produkowany w tradycyjnym procesie Habera-Boscha jest opłacalny jedynie w dużych zakładach, alternatywne podejście zespołu może sprawdzić się zarówno w przypadku produkcji na dużą skalę, jak i na mniejszą, zdecentralizowaną produkcję, w której niewielkie ilości są tanio wytwarzane w farmach słonecznych, co z kolei obniżyłoby koszty transportu i emisję.
Oprócz oczywistych zastosowań w produkcji amoniaku do nawozów, technologia ta może okazać się kluczowym czynnikiem wspierającym rozwój przemysłu wodorowego i pomóc w odchodzeniu od paliw kopalnych.
„Jednym z dobrych sposobów na uczynienie wodoru bezpieczniejszym i łatwiejszym w transporcie jest przekształcenie go w amoniak” – wyjaśnił Daeneke.
„Jeśli jednak użyjemy amoniaku produkowanego za pomocą obecnych technik jako nośnika wodoru, emisje z przemysłu wodorowego mogą znacznie zwiększyć globalne emisje”.
„Naszą wizją jest połączenie naszej technologii produkcji zielonego amoniaku z technologiami wodorowymi, co umożliwi bezpieczny transport zielonej energii na cały świat bez ogromnych strat w trakcie transportu” – powiedział.
Kolejnym wyzwaniem będzie udoskonalenie technologii, która jak dotąd została sprawdzona w warunkach laboratoryjnych, oraz zaprojektowanie systemu tak, aby mógł działać przy jeszcze niższym ciśnieniu, dzięki czemu stanie się on bardziej praktycznym zdecentralizowanym narzędziem dla szerszego grona branż.
„Na tym etapie jesteśmy naprawdę podekscytowani wynikami i chętnie porozmawiamy z potencjalnymi partnerami zainteresowanymi rozwinięciem tego rozwiązania w swojej branży” – powiedział.
Badania te były wspierane przez Australian Research Council i Australian Synchrotron (ANSTO). Analiza oddziaływań molekularnych została przeprowadzona w najnowocześniejszym Microscopy and Microanalysis Facility RMIT, a także w Central Analytical Research Facility QUT, Australian Synchrotron i za pośrednictwem superkomputerowego ośrodka NCI Australia.
