Аммиак — одно из самых важных химических веществ в мире, уступающее по объёму производства только серной кислоте. Он используется в основном для производства удобрений, необходимых для питания населения Земли. Однако его производство потребляет до 2% мировой энергии и даёт около 1,5% выбросов парниковых газов, поэтому учёные ищут более устойчивые способы его получения. Эту информацию сообщает сайт Phys.org.
Традиционный метод — процесс Габера-Боша, применяемый более века, — требует ископаемого топлива для нагрева и водорода, также получаемого из ископаемых источников. Альтернатива — электрохимический метод, но он пока неконкурентоспособен в промышленных масштабах.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали способ прогнозировать, какие материалы могут стать лучшими катализаторами для электрохимического производства аммиака. Вместо перебора миллионов возможных сплавов методом проб и ошибок, новая модель ускоряет поиск материалов, способных сделать низкоэмиссионный метод конкурентоспособным с процессом Габера-Боша.
«Наш подход определяет ключевые физические свойства, управляющие каталитической активностью в производстве аммиака», — говорит Бильге Йылдыз, профессор MIT. Результаты опубликованы 11 августа в журнале EES Catalysis Королевского химического общества.
Сейчас мир использует около 200 миллионов метрических тонн аммиака в год, и более 90% удобрений производится энергозатратным методом. Электрохимический процесс основан на тех же принципах, что и электролизёры, но его эффективность пока недостаточна для промышленности.
Ключевой элемент — металлический катализатор. Исследователи сосредоточились на нитридах переходных металлов, которые эффективны в реакциях азота. Компьютерное моделирование с использованием теории функционала плотности и машинного обучения позволило выявить узкие места реакции и предсказать перспективные сплавы.
Пока исследование теоретическое: материалы нужно создать и испытать. Следующий шаг — построить рабочую ячейку для проверки в реальных условиях. «Мы надеемся, что продвинули границу возможных материалов дальше, чем думали раньше», — отмечает аспирант Константин Атанитис.