В сельском хозяйстве используются синтетические азотные удобрения, которые производятся с использованием энерго- и углеродоемких процессов и образуют нитратосодержащие стоки. Исследователи давно ищут решения для снижения выбросов в этой отрасли, на которую ежегодно приходится 3% энергопотребления.
Совместная работа двух лабораторий Северо-Западного университета и Университета Торонто показала, что производство удобрения, мочевины, с помощью электрифицированного синтеза позволяет одновременно денитрифицировать сточные воды и производить мочевину с низкой углеродоемкостью. Этот процесс, включающий преобразование углекислого газа и отработанного азота с помощью гибридного катализатора из цинка и меди, может принести пользу водоочистным сооружениям, снизив их углеродный след и обеспечив потенциальный поток прибыли.
Результаты исследования опубликованы 11 сентября в журнале «Nature Catalysis».
«По оценкам специалистов, синтетические азотные удобрения обеспечивают жизнедеятельность половины населения Земли», — говорит профессор Северо-Западного университета Тед Сарджент, автор-корреспондент статьи. «Главным приоритетом усилий по декарбонизации является повышение качества жизни на Земле при одновременном снижении чистой интенсивности выбросов CO2 в атмосферу. Понимание того, как использовать возобновляемую электроэнергию для питания химических процессов, открывает широкие возможности в этом направлении», — добавил он.
Сарджент является соисполнительным директором Института устойчивости и энергетики имени Полы М. Триененс (бывший ISEN) и многопрофильным исследователем в области химии материалов и энергетических систем, работающим на кафедре химии в Колледже искусств и наук Вайнберга и на кафедре электротехники и вычислительной техники в Школе инженеров Маккормика.
В области, которой занимается Сарджент, многие исследователи разработали альтернативные пути получения аммиака, являющегося предшественником многих удобрений, но лишь немногие обратили внимание на мочевину, которая представляет собой готовое к отправке удобрение. Ее производство составляет 100 млрд. долларов США. По словам команды, в основе исследования лежит вопрос: можно ли использовать отработанные источники азота, уловленный CO2 и электроэнергию для производства мочевины?
Взгляд в прошлое для движения вперед
Ютинг Луо (Yuting Luo), первый автор статьи, постдокторский научный сотрудник группы Сарджента и постдокторский научный сотрудник Бантинга, говорит, что глубокое изучение исторических источников помогло определить, что станет «волшебным» гибридным катализатором. Обычно для запуска реакций химики используют сплавы или более сложные материалы, ограничиваясь лишь одним этапом реакции за раз. «Довольно редко удается соединить два катализатора, которые взаимодействуют в режиме ретрансляции, — говорит Луо – катализаторы это настоящее волшебство».
Команда нашла ссылки, относящиеся к 1970-м годам, в которых говорилось о том, что чистые металлы, такие как цинк и медь, могут быть полезны в процессах, связанных с конверсией углекислого газа и азота.
Эти предварительные эксперименты, которые лаборатория Сарджента продолжила воспроизводить, позволили превратить в желаемый продукт относительно небольшое количество исходных ингредиентов (эффективность превращения в мочевину составила около 20-30%).
Возобновляемые источники энергии склоняют чашу весов
Для осуществления изменений в промышленности необходим тщательный анализ затрат и выгод, который окончательно доказывает, что новый производственный маршрут в конечном итоге окупится за счет экономии энергии и затрат. Именно в этом и заключалось исследование профессора химического машиностроения Дженнифер Данн. Чейз Лавалле, аспирант четвертого года обучения в лаборатории Данн, помог команде провести тщательный анализ жизненного цикла, тщательно проанализировав каждое потребление и выход энергии в различных сценариях.
«При использовании средней американской энергосистемы выбросы энергии примерно одинаковы», — говорит Лавалле. «Но при переходе на возобновляемые источники энергии снижаются выбросы нескольких факторов, включая секвестрацию CO2 и углеродные кредиты, хранящиеся в полимерах конечного использования. На водоочистных сооружениях, если они увеличивают выбросы или энергопотребление, не рекомендуется использовать эту технологию. Мы увидели, что это не оказывает существенного влияния на ежедневные эксплуатационные расходы, и есть потенциал для продажи продукта», — продолжил он.
Они пришли к выводу, что для практического применения технологии эффективность преобразования должна достигать 70%.
Совершенствование соотношения волшебного катализатора
В конечном итоге исследователи достигли своей цели, начав с простой ошибки. Их гипотеза была верна — слой цинка на меди приведет к улучшению характеристик. Но на начальном этапе они этого не обнаружили, поскольку наносили слишком толстый слой цинка и использовали соотношение цинка и меди один к одному, в результате чего материал вел себя так, как будто взаимодействовал только с цинком. В какой-то момент кто-то добавил в смесь меньше связующего, чем обычно, и часть цинка вымылась, и эксперимент прошел очень успешно. Затем группа подобрала соответствующее соотношение металлов и определила, что оптимальным является соотношение одной части цинка и 20 частей меди.
Группа Сарджента также применила вычислительный подход, чтобы выяснить, почему медь и цинк так хорошо взаимодействуют друг с другом и почему, казалось бы, между этими двумя реакциями должен быть синергетический эффект. Поскольку эти реакции невозможно зафиксировать визуально — они происходят в масштабе наносекунд, — необходимо рассчитать их и определить, как электроны перемещаются в ходе реакции.
Этот процесс состоит из двух отдельных частей. Сначала углерод должен взаимодействовать с цинком, так как реакция с медью дает слабую реакцию. На втором этапе все наоборот — азот и медь дают эффективную реакцию, а цинк — очень слабую.
По словам исследователей, до коммерциализации процесса еще далеко. Прежде всего, реакция в ее нынешнем виде не учитывает примесей, встречающихся в условиях водоподготовки. Исследователи также надеются увеличить время работы процесса.
Работа «Селективный электрохимический синтез мочевины из нитрата и CO2 с помощью релейного катализа на гибридных катализаторах» была профинансирована программой «Banting Postdoctoral Fellowships Program».
