В Принстонском университете разработали новый метод расщепления азота

Сегодня азотсодержащие синтетические удобрения лежат в основе современного сельского хозяйства и продовольственного снабжения в мире, однако их производство требует огромных затрат энергии. Последние результаты компьютерного моделирования в Принстонском университете (CША) показывают, что возможно создание удобрений новым способом, в основе которого используется энергия света. Такой подход в перспективе сулит значительно меньшие затраты энергии при производствах в промышленном масштабе.

На текущий момент производство удобрений, фармацевтических препаратов и других промышленных химикатов ведется путем извлечения атомов атмосферного азота с их последующим соединением с атомами водорода. Как известно, азота в атмосфере предостаточно – около 78%. Однако сложность процесса заключается в расщеплении двух атомов азота, связь между которыми является второй по силе в природе. Промышленное изготовление аммиака в химической промышленности производится с применением процесса Габера—Боша – технологии вековой давности, при которой в камерах при давлении до 20 МПа, температуре около 400 градусов и с применением железных катализаторов атомы азота соединяются с атомами водорода. Такой процесс является настолько энергоемким, что годовая выработка удобрений и азотсодержащих химикатов составляет около 2% потребления энергии в мире.

Исследовательская группа, возглавляемая руководителем школы инжиниринга и прикладных наук Принстонского университета Эмили Картер (Emily Carter) и профессором Герхардом Андлинджером (Gerhard R. Andlinger) из Центра энергетики и окружающей среды, поставила своей целью найти способ расщепления атомов атмосферного азота с помощью солнечного света.

Традиционный метод производства аммиака по технологии Габера—Боша слишком энергозатратен – 20 МПа давления и температуры под 400 градусов.

«Использование энергии солнечного света для активации инертных молекул азота и парниковых газов вроде метана и двуокиси углерода, является огромной задачей для химической промышленности. Замещение традиционных энергоемких методов производства с задействованием высоких температур и давления на методы, основанные на энергии солнечного света является еще одним способом снизить нашу зависимость от углеводородного топлива», – объясняет Эмили Картер.

Отправной точкой исследования стала интересная особенность света, взаимодействующего с металлическими наноструктурами, размеры которых меньше световой волны. Феномен, известный в научных кругах как резонанс поверхностных плазмонов, способен концентрировать свет и усиливать электрические поля. Доктор Джон Марк Мартинез (John Mark Martirez), входящий в группу исследователей, убежден, что используя эффект плазмонного резонанса можно добиться усиления мощности катализатора для осуществления расщепления двухатомной молекулы азота.

В январском выпуске американского журнала «Science Advances) приводится статья, авторы которой описывают результаты компьютерной симуляции поведения света на наноструктурах золота и молибдена. Золото, медь и алюминий являются подходящими металлами, из которых возможно создание наноструктур для получения эффекта плазмонных резонансов. Молибден же используется в качестве катализатора, с помощью которого и происходит процесс разрыва связи между двумя атомами азота.

«Плазмонный металл работает как громоотвод. Он концентрирует огромное количество световой энергии на очень малой поверхности. Воздействие света усиливает электрическое поле вблизи поверхности катализатора, что помогает в конечном итоге разорвать связь», – объясняет ученый.

Согласно подсчетам ученых, техника плазмонного резонанса позволит существенно снизить энергозатраты при расщеплении молекул атмосферного азота. По словам Эмили Картер, новая технология позволит расщеплять азот при комнатной температуре и при гораздо меньших давлениях, чем в процессе Габера-Боша.

Процесс создания компьютерной симуляции химического процесса при одновременном учете поведения света было весьма сложной задачей. Сегодня большинство компьютерных моделей, точно описывающих химические реакции на молекулярном уровне с одновременным просчетом светового воздействия, способны обрабатывать лишь несколько атомов за раз. Несмотря на то, что точность моделирования весьма высока, такой подход мало подходит для оценки процесса для промышленных масштабов.

Новый метод плазмонного резонанса обещает существенно снизить требования к давлению и температурным режимам, что безусловно приведет к удешевлению производства промышленных химикатов на основе азота

Поэтому команде ученых пришлось прибегнуть к модели собственного изобретения, а если точнее – модели Эмили Картер. Данная компьютерная модель использует высокоточные методы моделирования небольшого фрагмента поверхности, с последующей экстраполяцией результатов для получения представления о более крупной системе. Техника, получившая название встроенной теории коррелированных волновых функций, была неоднократно проверена и широко используется в группе Эмили Картер, поэтому ученые весьма уверены в актуальности данного метода при расчете расщепления молекулы азота.

По словам Эмили Картер, ее команда также сотрудничает с учеными Наоми Халас (Naomi Hallas) и Питером Нордландером (Peter Nordlander) из Университета Райса (г. Хьюстон, штат Техас) в лабораторных тестированиях техники плазмонного резонанса. Ученые уже имеют опыт предыдущего сотрудничества при тестировании расщепления молекул водорода на наночастицах из чистого золота.

В качестве следующего шага, по словам Эмили Картер, следует опробовать метод плазмонного резонанса на других соединениях – например на углеродно-водородных связях в метане. Производители используют природный газ в качестве водородного сырья при производстве удобрений, равно как и других промышленных химикатов. Поэтому создание нового энергоэффективного способа разрушения связи между молекулами метана также будет весьма полезным для химической промышленности в целом.