Фермы будущего будут сами производить удобрения

Благодаря специализированному рентгеновскому оборудованию из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (штат Калифорния, США) ученые из Технологического института Джорджии смогли экспериментально подтвердить существование взаимодействия между азотом и фотохимически активным оксидом титана при облучении светом. Считается, что каталитическая реакция при этом использует атомы углерода, «загрязняющие» поверхность оксида титана.

Если в будущем ученые смогут увеличить масштаб подобной азотфиксирующей реакции, для аграриев это будет означать возможность производить аммиак локально и экологически чистым способом.

Авторы исследования — Марта Хатцелл (Marta Hatzell), доцент кафедры машиностроения и Эндрю Медфорд (Andrew Medford), доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии. Кроме того, в проекте принимают участие и ученые из Международного центра развития удобрений (International Fertilizer Development Center). Результаты работы были опубликованы в Journal of the American Chemical Society 29 октября этого года.

Исследование началось более двух лет назад, когда Марта Хатцелл и Эндрю Медфорд начали работать над странным феноменом, о котором написал еще в далеком 1941 году индийский почвовед Сешачариулу Дхар (Seshacharyulu Dhar). Речь идет об образовании небольших количеств аммиака при облучении компоста солнечным светом. Тогда Сешачариулу Дхар предположил, что причиной тому фотокаталитическая реакция минералов в компосте.

После того случая еще несколько исследований также сообщали о наблюдении фиксации азота в титане и появлении аммиака, хотя результаты еще не были экспериментально подтверждены в лабораторных условиях.

Эндрю Медфорд, будучи химиком-теоретиком, уже тогда провел необходимые теоретические расчеты, которые показали, что формирование аммиака на поверхности оксида титана под воздействием солнечного света маловероятно.

После этого с помощью рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии была изучена реакция поверхности оксида титана при воздействии воды, азота и кислорода как при свете, так и в темноте. Опыты проводились при нормальном атмосферном давлении. В результате ученым удалось обнаружить образование небольших количеств аммиака, однако только в том случае, если оксид титана имел углеродные контаминанты. Сложность эксперимента заключалась в том, что изначально титановые образцы были чистыми, поэтому ученым долгое время не удавалось заметить образование аммиака. Однако в течение многократных повторений на поверхности титана иногда появлялись углеродные загрязнители, появляющиеся из газов и вакуумной камеры — и именно они и оказались главным фактором для образования аммиака.

Теперь исследователи намерены экспериментально подтвердить роль углерода в предстоящих тестах в Тихоокеанской северозападной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory), с помощью которых они смогут детально изучить поведение углерода во время фотокаталитической фиксации азота. Кроме того, ученые надеются также повысить управляемость каталитического процесса и повысить эффективность реакции, которая на текущий момент составляет менее 1%.

«Хотя это может показаться смешным с практической точки зрения сегодня, однако если Вы обратите внимание на тот факт, что солнечный свет и азот в атмосфере бесплатны, то с точки зрения затрат все начинает выглядеть куда интереснее», — пояснил Эндрю Медфорд.

Действительно, если в будущем удастся оптимизировать процесс и повысить эффективность, это может существенно сократить затраты аграриев на производство удобрений, поскольку каждый фермер сможет производить небольшие количества аммиака самостоятельно.