Torując drogę do bardziej ekologicznej produkcji amoniaku

Choć amoniak odgrywa kluczową rolę w produkcji żywności, budzi kontrowersje z niewłaściwych powodów. Ta niezwykle ważna substancja chemiczna, zajmująca drugie miejsce pod względem wielkości produkcji na świecie zaraz po kwasie siarkowym, ma kluczowe znaczenie dla wytwarzania nawozów, które zasilają światową populację. Jednak proces jego wytwarzania pochłania nawet 2% światowej energii i przyczynia się do emisji około 1,5% gazów cieplarnianych. W związku z tym trwają poszukiwania zrównoważonych metod produkcji amoniaku.

Proces Habera-Boscha, stosowany od ponad wieku, odgrywa główną rolę w produkcji amoniaku. Metoda ta w znacznym stopniu opiera się na paliwach kopalnych, zarówno w zakresie niezbędnego ciepła, jak i wodoru wykorzystywanego w procesie. Jednakże, choć elektrochemia stanowi alternatywę dzięki wykorzystaniu energii elektrycznej zamiast ciepła i ciśnienia, wdrożenie tej metody na większą skalę, opłacalną ekonomicznie, nie zostało jeszcze zrealizowane. Sytuacja ta może się jednak wkrótce zmienić dzięki obiecującym badaniom prowadzonym w Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Zespół naukowców z MIT dąży do zmiany obecnego stanu rzeczy w dziedzinie produkcji amoniaku. Opracowali oni metodę prognostyczną, która potencjalnie może pomóc w identyfikacji obiecujących materiałów katalitycznych do elektrochemicznej produkcji amoniaku. Katalizatory odgrywają ważną rolę w przebiegu reakcji chemicznych, a ich właściwości decydują o wydajności tych reakcji.

Badanie, prowadzone pod kierownictwem Bilge Yildiz, profesora Breen M. Kerra na MIT, dostarcza cennych spostrzeżeń. Według Yildiz, zastosowane przez nich podejście pozwala wyodrębnić właściwości fizyczne, które napędzają aktywność katalityczną w produkcji amoniaku. Wyniki te, opublikowane w czasopiśmie „EES Catalysis” wydawanym przez Królewskie Towarzystwo Chemiczne, mogą znacznie przyspieszyć poszukiwania materiałów, dzięki którym ta niskoemisyjna metoda elektrochemiczna stanie się równie konkurencyjna jak proces Habera-Boscha.

Wraz z ciągłym wzrostem liczby ludności na świecie rośnie również popyt na żywność, a co za tym idzie – na nawozy. Jednak proces Habera-Boscha, który odpowiada za ponad 90% światowej produkcji amoniaku, jest sprzeczny z celami zrównoważonego rozwoju i celami w zakresie zmian klimatycznych ze względu na wysokie zużycie energii i ślad węglowy. W tym kontekście pojawia się elektrochemiczna produkcja amoniaku – choć technologia ta już istnieje, musi stać się bardziej wydajna, aby można ją było wykorzystywać na skalę przemysłową. Poprawa ta zależy od znalezienia katalizatora metalicznego, który zmniejszy zapotrzebowanie na energię i zwiększy selektywność amoniaku.

W poszukiwaniu lepszych katalizatorów naukowcy uznali związki azotku metali przejściowych za obiecujące rozwiązania. Związki te, w połączeniu z narzędziami takimi jak teoria funkcjonalna gęstości i uczenie maszynowe, mogą potencjalnie poprawić różne aspekty reakcji. Narzędzia te pomagają w modelowaniu właściwości materiałów i przewidywaniu wyników, przyspieszając w ten sposób poszukiwania skutecznych stopów katalizatorowych.

Chociaż istnieją przeszkody do pokonania — w tym dysocjacja azotu i transfer wodoru — takie wyniki badań teoretycznych budzą nadzieję. Teraz konieczne jest przeprowadzenie praktycznych testów w laboratorium, co wiąże się z zbudowaniem działającej komory reakcyjnej w celu oceny wydajności katalizatora w czasie rzeczywistym. Jak podkreśla Dane Morgan, profesor z Uniwersytetu Wisconsin, nie stanie się to z dnia na dzień. Przekształcenie tych teoretycznych spostrzeżeń w praktykę zajmie trochę czasu, ale jest to ekscytujący krok w kierunku bardziej ekologicznej produkcji amoniaku.

Jeśli interesuje Cię automatyzacja oparta na sztucznej inteligencji dla Twojej firmy, warto zapoznać się z innowacyjnymi rozwiązaniami dostępnymi na stronie implementi.ai. Więcej szczegółów można znaleźć w oryginalnym artykule prasowym tutaj.