אמוניה (NH3) היא אחד הכימיקלים החשובים ביותר בתעשייה על פני כדור הארץ.הרוב המכריע של ייצור אמוניה הופך לדשנים מבוססי חנקן, אשר תומך באספקת המזון כמעט מחצית מאוכלוסיית העולם. Beyond חקלאות, אמוניה צוברת מערכת יחסים כנושא אנרגיה נטול פחמן, דלק למשלוח, ומדיום אחסון מימן כיום, מעל 180 מיליון טון של פחמן המיוצרים מדי שנה, מחפש תהליך אנרגיה מופחת יותר, כמו גם הוא מצפה להפחתה של פחמן- 2.5%.

תהליך Haber-Bosch וגבולותיו

תהליך Haber-Bosch, שפותח בתחילת המאה ה-20 על ידי פריץ Haber ו קרל בוש, נשאר עמוד השדרה התעשייתי של ייצור אמוניה.התגובה משלבת חנקן אטמוספירי עם מימן שמקורו בעיקר בגז טבעי (באמצעות רפורמה אדים) בלחץ גבוה (150-250 בר) וסביבות עתירי זמן גבוהה (400-500 מעלות צלזיוס).

בעוד Haber-Bosch יעיל להפליא - צאת ההמרה של קופס יחיד של 10-20% ותשואות הכוללות מעל 90% - זה מגיע עם חסרונות חמורים.התנאים הקיצוניים דורשים כורים מאופקים כבדים, דחוסים בלחץ גבוה, וקלט אנרגיה משמעותי כדי להשיג את הטמפרטורה והלחץ הדרושים.אנרגיה זו מסופקת בעיקר על ידי דלקים מאובנים, כלומר התהליך המטובע ישירות פחמן CO2 המיוצר על ידי פחמן דו-חמצני, בנוסף לצמצום מהיר יותר של גזי, אפילו יותר של פחמן מודרני של פחמן, 000.

למרות יותר ממאה שנים של אופטימיזציה, זרז הברזל עצמו יש מגבלות קינטיות בסיסיות.הוא פועל בצורה הטובה ביותר בתנאים הקשים שמניעים את התגובה קדימה, אבל הוא סובל משיעורים איטיים בטמפרטורות נמוכות יותר.

למה מחיר-אווירה יעילה

הנתח הכלכלי והסביבתי הוא עצום.הפחתת הטמפרטורה והלחץ של סינתזת אמוניה יכול לקצץ צריכת האנרגיה עד 20-30%, באופן ישיר להפחית את פליטות CO2 ואת עלויות התפעוליות.אפילו שיפור צנוע בפעילות זרז יכול לאפשר לצמחים הקיימים להגדיל את התפוקה ללא בנייה של כורים חדשים.

בחזית העלות, זרז פעיל ויציב יותר להפחית את כמות מתכות יקרות או אלמנטים נדירים באדמה צריך. רבים זרזי החלופה המבטיחים ביותר להתרחק ברזל ובמקום זאת להסתמך על חומרים בשפע וזול יותר כמו molybdenum, cobalt, או tungsten. זרז בודד-atom, למשל, למקסם את היעילות של כל אטום באופן דרסטי, צמצום עומס חומרים אם אלה יכולים להיות מופחתת, באופן משמעותי יותר, עלייה של מזון, באופן משמעותי, 000, כדי להגדיל את המחירים של צמחים חדשים באופן משמעותי יותר, כדי להגדיל באופן משמעותי יותר, כדי להגדיל את המחירים של מזון, 000.

דחיפה לזרזים יעילים עלות גם תואמת את המגמה הרחבה יותר לקראת סלקציה וייצור כימי מבוזר.נתיבים אלקטרו-טקליטיים שמקיפים את מחזור הקרנוט יכולים להמיר חנקן ומים לתוך אמוניה בתנאים מסובכים באמצעות חשמל מתחדשים.למרות שעדיין בשלבים מוקדמים, טכנולוגיה זו עלולה להפוך ייצור אמוניה מתעשייה מרכזית, ממונעת הון לתוך מערכת מבוזרת, .

פיתוח חומרים Catalyst וטכנולוגיות

בעשור האחרון, גל מחקר זיהה כמה משפחות מבטיחות של זרזים כי או נשגבים או עולים על ברזל בהיבטים מרכזיים. זרזים אלה נועדו לשבור את האג"ח משולש חזק יותר ביעילות, לעתים קרובות על ידי ייצוב התגובה ביניים או באמצעות מסלולים תגובה חלופיים.

מתכת מתכת Nitrides ו Carbides

טרנזיציה מתכת nitrides ו carbides, במיוחד אלה של molybdenum, tungsten, ו vanadium, כבר נחקרו כבר זמן רב כמו סינתזה זרזים דלקתיים פוטנציאליים.פעילותם מיוחסת לעתים קרובות שילוב של השפעות אלקטרוניות וגיאומטריות: חומרים פחמן חנקן בשפע או אטומי חנקן לשנות את המבנה האלקטרוני של המתכת, מה שהופך אותו יותר נוח עבור מודעות חנקן ו dicondentganced (Mobt) הם יתרון דומה (nbt) ו חנקן שלילי) ו ⁇ (Monbnbnbtide) הם גם כן) הם שלילי) הם שלילי (Monbnbt) ו חנקן שלילי) הם בעליל לחץ נמוך יותר (nbnbnbnbnbtide) ו חנקן (nbnbnbtide) ו חנקן (Ride) הם שלילי) ו חנקן (Ride (Ride פחות נפוץ יותר) ו חנקן גדול יותר) ו חנקן (Ride) הם שלילי) הם שלילי) הם שלילי) ו חנקן שלילי) הם שלילי יותר (Ride חנקן (

שיפורים אחרונים הגיעו משליטה של המורפולוגיה וההפסקה של שלבים אלה.לדוגמה, meso ⁇ Mo2N עם תצוגות שטח על פני השטח גבוה יותר עקב צפיפות מוגברת של אתרים פעילים. בדומה, cobalt-molybdenum nitride מדגימים אפקטים סינרגיים ספציפיים, שבו חלקיקים cobalt לספק אתרי הפעלה תוך שלב nitride להפעיל חנקן באוניברסיטת דנמרק, כמו בדיקות אופטימטיקה, כגון בדיקות ספציפיות של תרופות מרשם, אשר דיווחו על ידי אופטימיזציה של תכונות אבטחה, כגון, עם זרז, עם זרזים, כגון בדיקות אבטחה, או זרזים, כגון בדיקות אבטחה, 000, עם זרזים, 000, 000 כגון בדיקות אבטחה מוקדם יותר של בדיקות אבטחה, 000, 000, עם זרז, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של בדיקות אבטחה מוקדם יותר של בדיקות אבטחה מוקדם יותר של בדיקות אבטחה, עם זרזים פוטנציאליים של בדיקות אבטחה מוקדם יותר, עם זרזים, עם זרזים פוטנציאליים של בדיקות דלקתיות מסוימות, 000 של בדיקות אבטחה מוקדם יותר של בדיקות אבטחה מוקדם יותר של בדיקות אבטחה, 000 של בדיקות אבטחה, 000, 000 כגון, 000 של בדיקות דלקתיות מסוימות, 000 כגון, 000, 000, 000 כגון בדיקות דלקתיות מסוימות,

ספורטאי יחיד

זרז יחיד-אטומים (SACs) מייצג שינוי פרדיגמטי בקטאליזה הטרוגנית.על ידי פיזור אטומי מתכת בודדים על תמיכה, SACs להשיג ניצול אטום מקסימלי - לעתים קרובות 100% של אטומי המתכת נגישים כמו אתרים פעילים.עבור סינת דלקת ריאות, SACs מבוסס על ברזל, cobalt, או ruium מעוגן על חנקן מתכת או תחמוצת חמצון מראה מפתיעה, יש תמיכה בטמפרטורות אלקטרו-חמצני, כמו חמצן ייחודי.

מחקר ציוני דרך שפורסם ב- Science בשנת 2021 הראה זרז יחיד ברזל על תמיכה phosphide molybdenum שהשיג שיעור היווצרות אמוניה של 25 מיקרומטרול g-1 h-1 ב 400 מעלות C ו 1 בר - שיא בלחץ נמוך. המחברים ייחסו את הביצועים לסינרגיה בין אטום הברזל הבודד ותמיכה על פני השטח, אשר סייע להפעיל את N2 עדיין מציעים רמות תמיכה מסחריות.

זרזי פחמן חד-אטומיים של Cobalt משכה גם תשומת לב. קבוצה מאוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין דיווחה כי cobalt SACs על ננופיבר פחמן דו-פדוגני פחמן המיוצרים אמוניה בשיעורים דומים לחלק מהזרזים מבוססי ruthenium, אך באופן פעיל שבריר של העלות.

אלקטרוקטאליסטס ל- Green Ammonia

אולי החזון הטרנספורמציי ביותר לייצור אמוניה חסכוני הוא המסלול אלקטרוכימי במקום להשתמש באנרגיה תרמית כדי להניע את התגובה, אלקטרוקטליסט משתמשים באנרגיה חשמלית כדי להפחית חנקן ( מהאוויר או טיהור N2) ומים (במקום גז מימן) ישירות לדלקת אמוניה בטמפרטורה ולחץ.

הסינתזה אלקטרו-כימית של אמוניה מסתמכת על התגובה של הפחתת חנקן (NRR) במהלך העשור האחרון, החוקרים הציגו מאות חומרים אלקטרו-קטליים, כולל מתכות אציליות (Au, Ru, Pd), מעבר ניטרידס מתכת (Mo2N, VN), ואפקטים של מתכת-אורגניים כמעט , עם זאת, השדה כבר מחוספס על ידי זרז נמוך מאוד (בדרך כלל 10%) מ- 10 אחוזים מ-מאטים (מאטים) לעומת זאת, למרות התקדמות אלקטרו-דלקתיתיתיתיתיתיתיתית (D) בהשוואה ל-חמצני (DRicial), אשר דווחהתגובה עד שנת 2022, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, ירידה של 15%-דלקתיתיתית) ב-חומצה חומציתית (DARDARDARDARDARDARDARDARDARD.

לאחרונה, ליתיום-מתווך סינתזת ⁇ התפתחה כחלופה מבטיחה. בתהליך זה, מלח ליתיום מומס ב אלקטרוליטה לא-אקידית, ומתח יישומי מניע את היווצרות של ליתיום ניטריד, אשר לאחר מכן הידרוליזד לכדי מטריה קטנה יותר מאשר תאים חשמליים ייצוב.

גישות חדשות נוספות

מעבר לשלוש קטגוריות לעיל, כמה אסטרטגיות חדשניות אחרות ראויות להזכיר.ביוקטאליסיסטים, במיוחד אנזימים חנקן, יכולים לתקן חנקן בטמפרטורת החדר ולחץ עם יעילות יוצאת דופן. בעוד חנקנים טבעיים הם רגישים מדי ואט לשימוש תעשייתי, גנטיקה - כגון אשכולות ברזל-מו-מבטן כי דומים מבנית לאתר הפעיל - מפותחים.

סינתזה של photocatalytic משתמשת מוליכים למחצה אור (כגון titanium דו-חמצני, דו-חמצני או חנקות פחמן) כדי ליצור זוגות חור אלקטרונים המוליכים חנקן חנקן.למרות שהפעילויות הנוכחיות הן נמוכות מאוד (מיקרוגרם לשעה לגרם של זרז), photocatalysis מציעה את החזון האולטימטיבי של ייצור אמוניה ישירות מהאוויר, מים, ואז חנקן נוסף הוא עדיין גבוה של חומרים מסוכנים.

אתגרים: יציבות, סקלאלה ואינטגרציה

למרות העושר של חומרים מבטיחים, תרגום תגליות מעבדה לזרז תעשייתי קיימא הוא מוטרד עם מכשולים.האתגר העיקרי הוא יציבות.רבים מהזרזים הפעילים ביותר - במיוחד אתרי אטומי יחיד ו nitrides מתכת - עלייה בתנאים הקשים של פעולה רציפה. זרזי זרז ניטרידי יכול להיות מופחתת למתכת ההורות, מאבד פעילות חד-אטומית סובלים מחטא, על ידי הרעלה בתנאים קשים של דלקות בטמפרטורה גבוהה של דלק (ב), אך בטווח הארוך) לתוך זרזים, אך ורק לטמפרטורה גבוהה של דלקות (טווח גבוה).

Scalability הוא עוד מחסום מרכזי.התהליכים הזרז הטוב ביותר כרוכים לעתים קרובות שיטות סינתזה מפורטות: שכבת אטומית, טכניקות סולמות-גל, או אלקטרוסמנטינג. תהליכים אלה קשה כדי להגיע לכמויות היומיות הדרושות עבור כור תעשייתי. יתר על כן, הזרז חייב להיות מעוצב לתוך אגן או מונוליטיקה מובנה עם מספיק כוח מכני וירידה נמוכה.

שילוב עם מסגרות תעשייתיות קיימות הוא גם לא-טריוויאלי. זרז חדש שעובד בצורה אופטימלית ב-50 בר ו-350 מעלות צלזיוס לא יכול להיות תחליף לזרז ברזל קיים הפועל ב-200 בר ו-450 מעלות צלזיוס. עיצוב הכור כולו, רשת החלפת חום, ומערכת דחיסה עשויה להיות מופעלת מחדש.

לבסוף, הכלכלה של ייצור אמוניה רגישים לשמצה במחירי הגז הטבעי. זרז חדש חייב לא רק לבצע טוב יותר, אלא גם להיות עלות תחרותי על בסיס דולר-טון-of-amonia. לדוגמה, זרז מבוסס ארואזיום הם פעילים יותר מאשר ברזל, אבל הם יקרים באופן בלתי חוקי במחירי המתכת הנוכחית.

תחזית לעתיד ומסקנות

המירוץ לפיתוח זרזים יעילים עבור ייצור אמוניה בקנה מידה גדול הוא דחוף יותר מתמיד.עם הביקוש אמוניה גלובלית הצפויה להגדיל ב -50% עד שנת 2050, ועם התחייבויות גוברות לפליטות אפס, תהליך Haber-Bosch לא יכול להישאר ללא שינוי.

בטווח הקרוב (5-10 שנים), השיפורים המעשיים ביותר צפויים לבוא מזרזים המבוססים על ברזל עם דופנטים וננו-הרסינג, או מהוספת שבריר קטנה של מקדם מבוסס ורואזיום כדי להגביר את הפעילות בטמפרטורות נמוכות יותר בינוניות טווח (10-20 שנים), כוהות אנפילות צמחיות מטבוליות עשויות להיות פרוסות בצמחים חדשים המיועדים ל- 50-100, שימוש באלקטרוכימי לחלוטין.

עם זאת, אף אחד מההתקדמות הללו לא יתממש ללא השקעה מתמשכת בהבנה יסודית – במיוחד השימוש בספקטרום האופרהנדו, תיאוריה פונקציונלית צפיפות, ולמידה מכונה כדי להנחות את עיצוב הזרז. יוזמות בינלאומיות כגון אגודת האנרגיה Ammonia ותוכנית המעבר של אנרגיה נקייה של IEA מטפחות שיתוף פעולה בין מעבדות לתעשייה.

לסיכום, הפיתוח של זרזים יעילים עבור סינתזה של אמוניה אינו רק אתגר טכני אלא גם הכרחי חברתי.זה משפיע על אבטחת המזון, אחסון האנרגיה ושינוי האקלים. על ידי אימוץ אסטרטגיה מחקר רב-מעורבת - החל מזרזי ברזל משופרים ועד לתהליכים אלקטרו-טקליטיים חדשים רדיקליים חדשים - הקהילה המדעית יכולה לספק את פריצות הדרך הדרושות כדי לייצר ייצור כלכלי בר קיימא במשך עשרות שנים כדי להגיע למציאות התעשייתית, אלא גם היא הזדמנות תעשייתית.