Новый процесс может сократить энергетические потребности в производстве удобрений

Синтетические удобрения на основе азота составляют основу мирового продовольственного снабжения, но его производство требует огромного количества энергии. Теперь компьютерное моделирование в Принстонском университете указывает на метод, который может резко сократить энергию, необходимую в процессе производства.

Производители в настоящее время производят удобрения, фармацевтические препараты и другие промышленные химикаты, вытягивая азот из воздуха и объединяя его с водородом. Азотный газ обилен, составляя около 78 процентов в атмосфере. Но атмосферный азот трудно использовать, потому что он заперт на пары атомов, называемые N2, и связь между этими двумя атомами является второй самой сильной по своей природе.

Поэтому требуется много энергии, чтобы разделить молекулу N2 и позволить атомам азота и водорода объединиться. Большинство изготовителей используют метод Хабера-Боша, старую технику, которая подвергает N2 и водород железному катализатору в камере, нагретой до более чем 400 градусов по Цельсию. Метод использует так много энергии, что журнал Science сообщил, что производство удобрений и подобных соединений составляет около 2 процентов потребления энергии в мире каждый год.

Исследовательская группа под руководством Эмили Картер, декана инженерного дела Принстона и профессора Герхарда Р. Андлинджера по энергетике и окружающей среде, хотела узнать, можно ли использовать свет для ослабления связи в молекуле атмосферного азота. Если это так, это позволит производителям радикально сократить энергию, необходимую для разделения азота на использование в удобрениях и широкого спектра других продуктов.

«Использование энергии в солнечном свете для активации инертных молекул, таких как азот, и газов парниковых газов и углекислого газа, если на то пошло, является серьезной проблемой для устойчивого химического производства», — говорит Картер. «Замена традиционного энергоемкого высокотемпературного химического производства под высоким давлением на использованием процессов комнатной температуры с помощью солнечных лучей — еще один способ уменьшить нашу зависимость от ископаемого топлива».

Исследователи были заинтересованы в использовании уникального поведения света при взаимодействии с металлическими наноструктурами, меньшими одной длины волны света. Среди других эффектов явление, называемое поверхностным плазмонным резонансом, может концентрировать свет и усиливать электрические поля.

Д-р Джон Марк Мартирес, докторант-исследователь и член исследовательской группы Princeton, сказал, что исследователи полагают, что можно будет использовать плазмонные резонансы, чтобы повысить мощность катализатора для разделения молекул азота.