הקדמה: התפקיד המרכזי של שיתוק הטרוגניים ב Ammonia Synthesis

אמוניה היא אחד הכימיקלים התעשייתיים החשובים בעולם, עם יותר מ-180 מיליון טון מטרי המיוצר מדי שנה.זה משמש כמקור העיקרי של חנקן עבור דשנים סינתטיים, תמיכה בייצור המזון המתקיים כמחצית מאוכלוסיית העולם. Beyond חקלאות, אמוניה מוכרת יותר ויותר כנושא אנרגיה נטול פחמן וחסם בניין עבור מגוון רחב של כימיקלים, כולל פלסטיק, חומרי נפץ, וסמים, ובתוך המוח העצום הזה.

מאז הפיתוח של תהליך Haber-Bosch לפני יותר ממאה שנים, ייצור אמוניה התבסס על זרזים מוצקים - מבוסס ברזל על ברזל - כדי להאיץ את התגובה בין גז חנקן (N2) לבין גז מימן (H2) למרות גילו, התהליך נשאר המסלול הדומיננטי עבור סינת דלק פולינזית תעשייתית יותר מכוונת, הוא גם אחד מתהליכי האנרגיה החמצן ביותר, אשר מייצרים בעיקר מ- 400 מיליון טון של אנרגיה יעילה של אנרגיה.

סקירה כללית של Ammonia Synthesis ואת Haber-Bosch Process

התגובה הבסיסית לסנתנתזה של אמוניה היא פשוטה:

(ב) ⁇ 2 NH3 (g) ⁇ 2 NH3 (g) ⁇ H= -91.8 kJ / molveFLT:1

איזון אקסותרמי זה הוא יחסית גמיש בטמפרטורות נמוכות ולחצים גבוהים, לאחר העיקרון של Le Chatelier. עם זאת התגובה היא מאוד איטי כי הקשר המשולש החזק של חנקן מולקולרי (בגד אנרגיה ⁇ 945 kJ / mol) דורש אנרגיה הפעלה גבוהה כדי לשבור.ללא זרז, קצב התגובה הוא רשל אפילו בטמפרטורות גבוהות.

במהלך המאה האחרונה, שיפורים מצטברים העלו את יעילות האנרגיה של התהליך מ -10 עד 15% לממוצע בתעשייה הנוכחית של כ -30-40%, אך המגבלות התרמודינמיות והקינטיקה עדיין מגבילות את הביצועים.המי שהשתמשו בתהליך מיוצר בעיקר באמצעות רפורמה של מתאן (SMR), אשר עצמה מייצרת כמויות גדולות של CO2.

חידושים ב-Heterogeneous Catalysts עבור Ammonia Synthesis

הכונן לקראת ייצור אמוניה בר קיימא יותר יש קטזזנס בעיצוב זרז.חוקרים מפתחים חומרים קטליטיים חדשים שיכולים לפעול ביעילות בטמפרטורות נמוכות יותר ולחצים, להפחית צריכת האנרגיה, ועלולים להשתלב עם מערכות מבוזרות, מאנרגיה מתחדשת.

מפתחת: Iron Catalysts

זרזים מבוססי ברזל נשארים את העבודה של תעשיית האמוניה, אבל ניסוחים מודרניים להאריך הרבה מעבר מגנטיט פשוט.מקדם כגון אשלגן (K), תחמוצת אלומיניום (Al2O3), סידן (Ca), ו- silica (SiO2) מוסיפים כדי לשפר את הפעילות, יציבות והתנגדות להרעלת. Potassium, למשל, תחמוצת תחמוצת חמצן אלקטרונית על ידי הפעלת תפקוד ברזל נמוך יותר של פני השטח, מניעת חומרים מסוכנים של סידן.

עבודה עדכנית התמקדה בקידוד הרכב והפצה של ה-Nanoscale.לדוגמה, הוספת lanum או cerium oxides הוכח להגדיל עוד יותר את מספר האתרים הפעילים ולשפר את היציבות. חלק מהמחקרים מדווחים על שיפורים בפעילות של 20 עד 50% בהשוואה לנוסחאות מתקדמות, עם פוטנציאל להפחית את הטמפרטורות התפעוליות ב-20-30 מעלות צלזיוס תוך שמירה על שיפורים אלה, אם כי מתרגמים באופן משמעותי לחיסכון באנרגיה בקנה מידה תעשייתי.

Catalysts מבוסס רתניום

Ruthenium הוא פעיל משמעותית יותר ברזל עבור סינתזה אמוניה, במיוחד בטמפרטורות נמוכות יותר (200-400 מעלות צלזיוס) ולחץ.הפעילות הפנימית הגבוהה ביותר של המתכת מאפשרת לה לשבור את N2 אג"ח בקלות רבה יותר, פוטנציאל להפחית את הדרישה לאנרגיה של התהליך עד 20% או יותר.עם זאת, ruium הוא הרבה יותר יקר (כ-1,000 פעמים מחיר הברזל) ודורש תמיכה זהירה.

זרזי ארוניום הנתמכות פחמן, במיוחד אלה המשתמשים ב- צינורות פחמן או גרפן כתומך, קיבלו תשומת לב רבה. אלה תומכים מציעים שטח פני שטח גבוה, אינטראקציות אלקטרוניות עם המתכת, ואת היכולת לכוון את הכימיה של התמיכה. Barium ו-cesium מקדם המרה לעתים קרובות הוסיף כדי לשפר את העברת האלקטרונית ל-ruium, להגביר את הפעילות.

מחקר נוכחי נועד להפחית את עומס האירוניום באמצעות ננוור מתקדם - תוך שימוש חלקיקים דו-מולידיים נתמך (למשל, Ru-Co, Ru-Fe) או זרזי אטומיים בודדים - כדי לשמור על פעילות גבוהה תוך הורדת תוכן מתכת יקר.

Catalysts

הופעת ננו-מדע פתחה דרכים חדשות לעיצוב זרז מעבר לבלוטות מתכת מסורתיות.חומרים כגון מתכת nitrides, carbides, ו-phosphides להציג תכונות קטליטיות נפרדות מהאלמנטים המרכיבים שלהם.לדוגמה, cobalt molybden nitride (Co3N) הראה פעילות יוצאת דופן בלחץ ממתח וטמפרטורות מתון, מאתגר את הדומיננטיות של מתכות נאצלות לאחר מכן, אשר משמשות לעתים קרובות לחץ חנקן, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות חומרים חנקן, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות את הלחץ חנקן, אשר משמשות, אשר משמשות את הלחץ חנקן מתון, אשר משמשות, אשר משמשות, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות, לאחר מכן, אשר משמש פעיל לחץ מתפקדת חומרים חנקן מתון, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, אשר משמש פעיל לחץ מתאקשן, לאחר מכן, אשר משמש פעיל, אשר משמש פעיל, אשר משמש פעיל חנקן, אשר משמש פעיל, 000

מעמד מבטיח נוסף הוא:0 (הזרזים האלקטרוניים) Electrides הם תרכובות ionic שבו אלקטרונים פועלים כ anions, יצירת ריכוז גבוה של אלקטרונים בעלי תפקוד נמוך על פני השטח.דוגמה בולטת היא C12A7:e - a Mayenite פועל כ-Autos, כאשר תמיכה ב-ruium חלקיקים, להשיג סינתזה משמעותית של דלקת ריאות (N) מאשר זרז אלקטרו-NVoltras-N) נמוך יותר מאשר זרז אלקטרואקטיבי יותר מאשר ⁇ s.

(הההנחה מאפשרת גם יצירתו של FLT:0.0.10.000core-shellsזרז: 1 בינואר), שבו פגזים פעיל (למשל, תחמוצת ברזל או ruthenium) מופקד על ליבה יציבה (למשל, אלומיניום או אחליקה) ממקסמים את מספר האתרים הפעילים למשקל תוך צמצום כמות המתכות היקרות, אשר פותחים לעתים קרובות על ידי אטומים (PF) ו-F).

Bimetallic ו- Perovskite-based Catalysts

מעבר למערכות חד-מטליות, זרזי דומטיל מציעים דרך לכוון תכונות אלקטרוניות וגיאומטריות לביצועים אופטימליים.שלבים כגון Fe-Co, Ni-Fe, ו-Ru-V נחקרו באופן נרחב.הסינרגיה בין מתכות יכולה להוביל ל-N2 מחייב וקל יותר דיסוציאציה. לדוגמה, סגסוגת Fe-Co הנתמכות על צינורות פחמן הראו פעילות מעולה או מתכת טהורה בטמפרטורה נמוכה.

תחמוצות Perovskite (ABO3) הופיעו גם כפלטפורמה לפיתוח זרז.הרכב גמיש שלהם מאפשר החלפת בשני אתרי A ו- B, שינוי ריכוזי חמצן ונכסים אלקטרוניים משטחים. Barium-doped Iron perovskites (BaFeO3) ו-Truntium-dotites (0.8Sr.com 3) היו עדיין חומרים אלה עם בשלב מוקדם של דלקת ריאות, בעוד שעדיין בשימוש חומרים אלה, בעודם קטנואידים, בעודם-דלקתיים של חומרים אלה, עדיין בשימוש ב-דלקתיים-דלקתיים של חומרים אלה, עדיין בשימוש ב-דלקתיים עם חומרים אלה, בעוד שעדיין מעורבים עם חומרים אלה, בעודם של כדור הארץ-דלקתיים של חומרים עם חומרים עם חומרים עם חומרים עם חומרים אלה, 000 קדמייתנים-דלקתיים עם חומרים אלה, עדיין בשימוש על ידי דלקתיים של פחמן-DVenum-דו-דו-DVide anapana-DVide עם חומרים עם חומרים עם חומרים עם חומרים אלה, עדיין בשימוש על ידי סרטן-Denbtenamtamtamtamtamtamtanadonia-Damtamtamtamtamtamtamtamtamtamt

יתרונות סביבתיים וכלכליים של Catalysts מתקדמים

הנהג העיקרי לחדשנות ב- heterogeneous אנתזת זרז הוא הפוטנציאל להפחית צריכת אנרגיה ופליטות גזי החממה.תהליך Haber-Bosch מהווה כ 1–2% מכלל השימוש באנרגיה גלובלית, עם כמחצית מהאנרגיה הנצרכים על ידי ייצור מימן.שיפור הביצועים של זרז יכול להוריד את הטמפרטורה והלחץ הדרושים, ובכך להפחית את האנרגיה הדרושה עבור גז לדחיסה וחימום אפילו הפחתה של 10% של אנרגיה סנטימטרים של אנרגיה וואט בשנה, 2 , 000 צמיגים, 000 וואט, 000 וואט, 000 חסכונית אנרגיה, 000 חסכונית אנרגיה, 000 וואט, 000 וואט, 000 וואט, 000 חסכונית צמיגים, 000 חסכונית של וואט צמיגים, 000 חסכונית של צמיגים, 000 צמיגים, 000 צמיגים, 000 חסכונית אנרגיה וואט בשנה, 000 וואט צמיגים, 000 חסכונית אנרגיה וואט לנטרל את הביצועים של וואט וואט לנטרל את הטמפרטורה ולחץ, 000 וואט וואט וואט לנטרל את הטמפרטורה והלחץ, 000 צמיגים של אנרגיה לנטרל את הפחתת צריכת אנרגיה לנטרל את הטמפרטורה והלחץ קומפקטיות של אנרגיה קומפקטיות של אנרגיה צמיגים של אנרגיה צמיגים של אנרגיה

טמפרטורות הפעלה נמוכות גם פותחות את הדלת כדי להפיכת סינתזת אמוניה עם מימן מתחדשים המיוצר על ידי אלקטרוליטיזה מים.כרגע, מימן אלקטרוליטי הוא יקר יותר מאשר אדני אדן רפורמה, אבל כמו עלויות חשמל מתחדשות יורדות ועלויות פחמן, אמוניה ירוקה הופכת תחרותית מבחינה כלכלית. Catalysts פעיל 300-400 מעלות צלזיוס ולחצים בינוניים (50-100) מתאים יותר עם התפוקה של אלקטרו-אוויר-אווירי, מאשר תהליכים סטנדרטיים, אשר יכול להיות פעיל יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 קבוע, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל יותר יעיל יותר יעיל יותר, 000 זמן רב יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 זמן רב יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000,

מנקודת מבט כלכלית, פיתוח זרזים פעילים יותר יכול להגדיל את קצב ההמרה לפס, להפחית את הצורך של מחזור חנקן ללא הפרעה מימן.זה מפשט עיצוב צמחי ועלויות הון נמוכות יותר.בנוסף, זרזים עמידים יותר רעלים כגון sulfur ו chlorine יכולים להרחיב את חיי החיים התפעוליים, צמצום עלויות זמן והחלפתן.

היתרונות הסביבתיים משתרעים מעבר לפליטת פליטות ישירות.על ידי מתן ייצור בלחץ נמוך יותר, זרזים מתקדמים יכולים להפחית את הסיכון של כשל קטסטרופלי בכורים בלחץ גבוה, שיפור בטיחות הצמח, מעבר למזומנים ירוק יאפשר לתעשיית ההפריה לאחסן אנרגיה מתחדשת בצורה כימית, יצירת דלק פחמן-ניטרלי שיכול לשמש לייצור חשמל, תחבורה, כמו גם ספקטרום ירוק של זיהום אווירווניה, כבר בתעשייתית של זיהום ירוק.

כיוונים עתידיים: לקראת ירידה במשקל נמוך אמוניה Synthesis

המטרה הסופית של מחקר בקטאליזה הטרוגנית עבור סינתזה אמוניה היא להשיג "מבישה" או "תנאי חלב" - תוך שימוש בטמפרטורות החדר והלחץ האטמוספרי, תוך שימוש במים כמקור מימן ואוויר כמקור חנקן, המופעל ישירות על ידי אור השמש או חשמל מתחדשים.חזון זה מניע מספר מסלולים מקבילים.

נתיבי אלקטרו-טקליטי ו Photocatalytic

גישה מבטיחה אחת היא N2 ל- NH3 ב אלקטרוליטנסית של זרז 1 , שבו אלקטרודה זרז זרז מפחית N2 ל- NH3 ב אלקטרוליטטה queous. שיטה זו מונעת את הצורך בכורים עתירי עתירי עתירי זרז ויכולה לעמוד בדרישות חנקן מתחדשות (NDA) אך כיום אלקטרוקטפטיסטטים סובלים מיעילות נמוכה (לעתים קרובות מתחת ל-10%) ומיוצרים מ- מימן הרבה יותר מ-N) ועלולים להתחרות ב-NDA-RicDA (N) אך ורק ל-R.

בדומה לכך, (FLT:0) photocatalysisFLT:1 משתמש באנרגיה קלה כדי להניע את התגובה על משטח מוליכים למחצה. Titanium דו-חמצני (TiO2) doped עם חנקן או ברזל נחקר, כמו גם bismuth oxyhalides ושכבת הידרוקסידים כפולים.למרות שמערכות אלה פועלות בתנאים מכופים ולהשתמש רק במים ובאור, שיעורי הייצור שלהם הם רבים של סדרים תעשייתיים חשובים מתחת לכדי צעד חשוב.

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(FLT:0Chemical הלולאהingFLT:1 משתמש מתכת nitride לאחסון חנקן, אשר לאחר מכן מימן לדלקת ריאות בשלב נפרד.לדוגמה, molybdenum או נטריד ברזל ניתן ליצור על ידי חשיפת המתכת ל-N2, ולאחר מכן הגיב עם H2 (או מים) כדי לייצר NH3.תהליך זה decouples מהפעלה של חנקן, תוך כדי למנוע את המסלול ה-H2 באופן עצמאי, כדי למנוע טיפול לא ניתן לייעל את המסלול ה-הטרקטיבית.

(FLT:0)Plasma-resed synthesisFLT ( 1:1) משתמש פלזמה לא-thermal כדי ליצור מינים חנקן תגובתי (N, N2+) כי מודעות בתדירות גבוהה על פני השטח.הפלזמה מקטין את אנרגיית ההפעלה עבור N2 di הפיכה, המאפשר היווצרות אמוניה בטמפרטורות נמוכות.

חומרים אינפורמטיקה וגילויי דרך גבוהה

כדי להאיץ את גילוי זרזים חדשים, התחום הוא אימוץ:0 (מכונה למידה) 1FOVAFLT ו-FLT:2 גבוה באמצעות ניסויים (FLT 3: 3 מודלים Computational המופעלים על ידי התיאוריה פונקציונלית צפיפות (DFT) יכול למסך אלפי חומרים פוטנציאליים עבור הפעילות הצפויה שלהם, סלקטיבית ויציבות.

שילוב עם Renewable hydrogen ו- Carbon Capture

גם ללא פריצת דרך בסינתזה של תנאי מתון, הפריסה של זרזים מתקדמים קיימים יכול להיות משולב עם מימן מתחדש ופחמן ללכוד כדי ליצור תעשיית ammonia כמעט אפס-emission. Hydrogen מ water אלקטרוליטיזה בשילוב עם זרז שפועל ביעילות בלחצים נמוכים יותר יכול להפחית את טביעת הרגל הכוללת של פחמן עד 90% או יותר בהשוואה לייצור מבוסס SMR קונבנציונלי. אם CO2 מ- SMR הוא משמש שינוי כחול עבור פחמן, כמו גם שימוש נמוך של פחמן, כמו גם על ידי שימוש ב- HIV, כמו גם על ידי פחמן דו-חמצני, כמו גם על ידי שימושים, כמו גם על ידי פחמן דו-חמצני, כמו גם על ידי שימושים, כמו גם על ידי פחמן דו-ידי שימושים, כמו גם על ידי שימוש נמוך של כ"חמצני, 000 או יותר מאשר פחמן דו"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מכחול "מכחול"בצורה "מ"כ 1 מ-ידי שימוש נמוך"כ 2, 000"מ"ברמה"בצורה "מ"ברמה"ב"בצורה "מ"בצורה "מ"כ 1 "מ"

מסקנה: עידן חדש לשיתוק אמוניה

הפסיכואנליזה הטרוגנית הייתה אבן הפינה של ייצור אמוניה במשך יותר ממאה שנים, והיא נותרה נקודת המוקד של מאמצים להפוך את התעשייה לקיימות ויעילות.ההחידושים המתוארים - החל מזרזי ברזל ממונדסים ועד חלקיקים של ruthenium nanoparticles על תמיכה ב-electride, ומחנקות nanostructured לסגסוגת דו-מטלית - מחליש את הלחם ואת העומק של כל אחד קדימה כדי להפחית את מטרות האנרגיה הנוכחית של צריכת גזי החממה.

בעוד תהליך Haber-Bosch אינו צפוי להיות מוחלף לחלוטין בעתיד הקרוב, אימוץ הדרגתי של זרזים יעילים יותר יפחית את הטמפרטורות התפעוליות והלחצים, המאפשר שילוב עם יחידות ייצור מתחדשות וההגונה. החזון לטווח ארוך של סינתזה בתנאי הסביבה עדיין אתגר גדול, אך התקדמות באלקטרוקטאליזה, photocatalysis, ו- פלזמה-אסדמה מספקת עבור אופטימיות גלובלית לפיתוח פחמן-טרמי הוא ממשיך אתגר גדול של אנרגיה מתקדמת.

(ב) ◄ ⁇ ⁇

  • (ב) ,0) ,(ה) ,(ה) ,(ה) ,(ב) ,(ה) ,(ה) ,(ה) , עיין ב-[[1924]]
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) אמוניה ירוקה ושילוב אנרגיה מתחדשת (Falve) 1
  • (ב) ,0) מחלקת האנרגיה של ארה"ב ב-AmmoniaFLT ירוק