Новий метод синтезу аміаку може зробити хімічне виробництво чистішим.
Якщо дві хімічні речовини ніяк не хочуть один з одним реагувати, а нам все-таки дуже хочеться, щоб вони вступили в реакцію, то ми можемо використовувати кілька універсальних способів домогтися бажаного. Для початку варто спробувати просто нагріти реакційну суміш - як правило, при високій температурі молекули стають більш активними. Це схоже на приготування звичайного супу: в холодній воді його не особливо-то і звариш.
Але температура допомагає не завжди, і тоді на допомогу зазвичай закликається універсальна хімічна паличка-виручалочка - каталізатор. З його допомогою можна проводити реакції, неможливі з точки зору шкільного підручника з хімії. Проблема в тому, що для кожної хімічної реакції потрібен свій, особливий і, як правило, дорогий каталізатор.
Дорогий каталізатор або складне обладнання, що працює при високих температурах і тисках, окупляться лише в тому випадку, якщо виробляти речовини в дуже великих кількостях, сотнями тисяч і мільйонами тонн на рік. Власне, за цим принципом і працює великотоннажна хімічна промисловість. Один з таких класичних прикладів - синтез аміаку з азоту і водню по Габеру-Бошу, винайдений ще на початку XX століття, і досі використовується без будь-яких істотних змін.
Незважаючи на те, що в цьому процесі використовується тиск вище сотні атмосфер, температура в півтисячі градусів і водень, який ще потрібно отримати, наприклад, шляхом конверсії природного газу, за своєю ефективністю синтез по Габеру-Бошу досі перевершує всі альтернативні методи. Але лідерство не може тривати нескінченно довго, і навіть такого мастодонта хімічного синтезу можуть потіснити навіть не в дуже віддаленому майбутньому.
Однак ми не згадали ще один спосіб виконати «важкопрохідну» реакцію, який простіше зустріти в природі, ніж у промисловості - плазмохімічний синтез. У природному середовищі плазма утворюється, наприклад, під час розряду блискавок, в результаті такі «байдужі» один до одного в звичайних умовах гази, як азот і кисень, відмінно вступають в реакцію з утворенням оксиду азоту. До речі, штучну блискавку - дуговий розряд - на початку XX століття використовували два норвежці, Самуель Ейде і Крістіан Біркеланд, якраз для того, щоб окислити азот киснем - так можна було в прямому сенсі з повітря отримувати азотну кислоту в промисловості. Однак іскрометний плазмово-хімічний норвезький стартап швидко згас, не витримавши конкуренції з методом Габера-Боша - електрика, якої для плазмового синтезу потрібно дуже багато, тоді коштувала сильно дорожче природного газу.
Але часи змінюються: викопних ресурсів стає все менше, планета страждає від глобального потепління, а в моді вітряки, сонячні панелі і самокати на акумуляторах. Все це поступово повертає інтерес до «електричних» технологій великого хімічного виробництва, про які практично забули майже на сотню років. Та й загалом немає нічого поганого в тому, щоб мати можливість побудувати невеликий завод, якому для виробництва того ж аміаку потрібне хіба що повітря і сонячне світло. До цього нас може наблизити недавнє дослідження, опубліковане у свіжому випуску Science Advances.
Авторам статті вдалося синтезувати аміак за допомогою електричної дуги буквально в склянці з водою. Суть методу досить проста. У безпосередній близькості від поверхні води розміщується металева трубка, яка, з одного боку, виконує функцію електрода, а з іншого - дозволяє прокачувати крізь неї азот, який ми і перетворюємо на аміак. Якщо створити між електродом і водою в судині велику різність потенціалів, то виникає електрична дуга - мініатюрна блискавка, яка постійно б'є у водойму. То як же відбувається синтез?
Як ми пам'ятаємо, плазма - це іонізований газ, в якому в тому числі існують вільні електрони. Коли електрони з плазми потрапляють, умовно кажучи, у воду, то частина з них сольватується - між молекулами води і електроном на дуже короткий час утворюється тимчасовий і дуже неміцний союз. Утворилася частинка - сольватований електрон - дуже активна, і практично відразу починає шукати, з ким би їй прореагувати.
Ідеальна мішень для таких електронів - іони водню, їх концентрацію у воді відображає такий відомий індикатор, як pH. Коли іон водню приєднує електрон, він перетворюється на нейтральну, але теж дуже активну частинку - радикал. Водневим радикалам також не терпиться з ким-небудь прореагувати: якщо два радикали прореагують один з одним, то вийде молекула водню, а якщо на шляху водневих радикалів зустрінуться молекули азоту, то їм не залишиться вибору, крім як стати молекулами аміаку, а це нам і потрібно!
На відміну від інших альтернативних методів синтезу аміаку, плазмовий спосіб не вимагає нічого, крім води, азоту і джерела напруги. Немає потреби у використанні каталізаторів, високого тиску та інших промислових атрибутів. З іншого боку, у цього методу той же недолік, що і у процесу Ейде і Біркеланда: на електричну дугу потрібно витрачати багато електроенергії, і в результаті з енергоефективності плазмохімічний аміак всуху програє класичному Габеру-Бошу.
Однак у плазмохімічного процесу є своя перевага - для нього не потрібно будувати складну інфраструктуру, як у випадку зі звичайним заводом, а якщо на додачу використовувати відновлювані джерела електроенергії, то можна організувати досить чисте з точки зору екології хімічне виробництво.
За матеріалами Science Advances.