Od ponad stu lat produkcja amoniaku opiera się na metodzie Habera i Boscha, wymagającej ekstremalnie wysokich temperatur i ciśnienia. Naukowcy z Uniwersytetu Tohoku zaproponowali zupełnie inne podejście, wykorzystujące elektrokatalityczną reakcję redukcji azotanów. W praktyce oznacza to przekształcanie szkodliwych zanieczyszczeń wodnych w pożyteczny amoniak.
Czytaj też: Amoniak zamiast paliwa kopalnego? Oto pierwszy komercyjny silnik okrętowy na amoniak
Sercem całego systemu są tzw. nanoliście NiCuFe-LDH – katalizatory z podwójnego wodorotlenku warstwowego zawierające nikiel, miedź i żelazo. Te mikroskopijne struktury działają jak miniaturowe fabryki, efektywnie przetwarzające azotany w amoniak.
Nowy sposób na produkcję amoniaku
Nowy katalizator osiągnął wydajność Faradaya na poziomie 94,8 proc., co oznacza, że niemal cała dostarczona energia elektryczna jest wykorzystywana do produkcji amoniaku. To wynik 1,5 razy lepszy niż w przypadku katalizatorów dwuskładnikowych CuFe-LDH i prawie trzy razy lepszy od NiFe-LDH.
Czytaj też: Amoniak sposobem na energetyczną rewolucję. Pierwsze rezultaty są świetne
Wydajność produkcji amoniaku sięgnęła 1,64 mmol/h/cm2 powierzchni katalizatora. Co równie ważne, system zachował stabilność przez 15 cykli testowych, co sugeruje, że może mieć praktyczne zastosowanie w przemyśle.
Analizy obliczeniowe ujawniły precyzyjny sposób działania katalizatora. Atomy miedzi i niklu pełnią funkcję głównych centrów aktywnych, gdzie przyłączają się i aktywują cząsteczki azotanów. Nikiel dodatkowo reguluje proces rozkładu wody, dostarczając niezbędny wodór do reakcji.
Żelazo, choć obecne w strukturze, pełni przede wszystkim rolę stabilizującą – utrzymuje integralność całej struktury katalitycznej. Naukowcy wskazali etap uwodornienia jako kluczowy moment decydujący o szybkości całej reakcji.
Praktyczne zastosowanie technologii przetestowano w baterii cynkowo-azotanowej. System wykorzystujący nanoliście NiCuFe-LDH jako katodę osiągnął wydajność Faradaya 85,8 proc., produkcję amoniaku na poziomie 1,63 mmol/h/cm2 oraz gęstość mocy 12,4 mW/cm2. To rozwiązanie typu 3w1 – jednocześnie usuwa szkodliwe azotany z wody, produkuje wartościowy amoniak i generuje energię elektryczną. Taka wielofunkcyjność otwiera nowe możliwości dla przemysłu chemicznego i oczyszczania ścieków.
Znaczenie tego odkrycia wykracza daleko poza laboratoria, choć do komercjalizacji jeszcze daleka droga. Nowa metoda może potencjalnie przyczynić się do oczyszczenia wód poprzez usuwanie szkodliwych azotanów ze ścieków. Kolejną korzyścią byłaby redukcja emisji CO2 związana z eliminacją emisji towarzyszących metodzie Habera i Boscha. Dodatkowo metoda pozwala na drastyczne zmniejszenie zużycia energii w produkcji amoniaku, co finalnie może przełożyć się na większe bezpieczeństwo żywnościowe poprzez zapewnienie zrównoważonej produkcji nawozów.
Badacze planują kolejne etapy rozwoju technologii, obejmujące skalowanie do rozmiarów przemysłowych i testowanie w rzeczywistych systemach oczyszczania ścieków. Kluczowe będzie pogłębienie zrozumienia mechanizmów reakcji i optymalizacja katalizatorów dla konkretnych zastosowań.