Новый метод синтеза аммиака может сделать химическое производство чище.

Если два химических вещества никак не хотят друг с другом реагировать, а нам всё-таки очень хочется, чтобы они вступили в реакцию, то мы можем использовать несколько универсальных способов добиться желаемого. Для начала стоит попробовать просто нагреть реакционную смесь – как правило, при высокой температуре молекулы становятся более активными. Это похоже на приготовление обычного супа: в холодной воде его не особо-то и сваришь.

Плазмохимический способ получения аммиака в лаборатории. (Фото: Case Western Reserve University)

Но температура помогает не всегда, и тогда на помощь обычно призывается универсальная химическая палочка-выручалочка – катализатор. С его помощью можно проводить реакции, невозможные с точки зрения школьного учебника по химии. Проблема в том, что для каждой химической реакции нужен свой, особый и, как правило, дорогой катализатор.

Дорогостоящий катализатор или сложное оборудование, работающее при высоких температурах и давлениях, окупятся лишь в том случае, если производить вещества в очень больших количествах, сотнями тысяч и миллионами тонн в год. Собственно, по этому принципу и работает крупнотоннажная химическая промышленность. Один из таких классических примеров – синтез аммиака из азота и водорода по Габеру–Бошу, изобретённый ещё в начале XX века, и до сих пор используемый без каких-либо существенных изменений.

Несмотря на то, что в этом процессе используется давление выше сотни атмосфер, температура в полтысячи градусов и водород, который ещё нужно получить, например, путём конверсии природного газа, по своей эффективности синтез по Габеру–Бошу до сих пор превосходит все альтернативные методы. Но лидерство не может продолжаться бесконечно долго, и даже такого мастодонта химического синтеза могут потеснить даже не в очень отдалённом будущем.

Однако мы не упомянули ещё один способ выполнить «труднопроводимую» реакцию, который проще встретить в природе, чем в промышленности – плазмохимический синтез. В естественной среде плазма образуется, например, во время разряда молний, в результате такие «безразличные» друг к другу в обычных условиях газы, как азот и кислород, отлично вступают в реакцию с образованием оксида азота. Кстати говоря, искусственную молнию – дуговой разряд – в начале XX века использовали два норвежца, Самуэль Эйде и Кристиан Биркеланд, как раз для того, чтобы окислить азот кислородом – так можно было в прямом смысле из воздуха получать азотную кислоту в промышленности. Однако искромётный плазменно-химический норвежский стартап быстро погас, не выдержав конкуренции с методом Габера–Боша – электричество, которого для плазменного синтеза нужно очень много, тогда стоило сильно дороже природного газа.

Но времена меняются: ископаемых ресурсов становится всё меньше, планета страдает от глобального потепления, а в моде ветряки, солнечные панели и самокаты на аккумуляторах. Всё это постепенно возвращает интерес к «электрическим» технологиям крупного химического производства, о которых практически забыли почти на сотню лет. Да и в целом нет ничего плохого в том, чтобы иметь возможность построить небольшой завод, которому для производства того же аммиака нужен разве что воздух и солнечный свет. К этому нас может приблизить недавнее исследование, опубликованное в свежем выпуске Science Advances.

Авторам статьи удалось синтезировать аммиак с помощью электрической дуги буквально в стакане с водой. Суть метода достаточно проста. В непосредственной близости от поверхности воды размещается металлическая трубка, которая, с одной стороны, выполняет функцию электрода, а с другой – позволяет прокачивать сквозь неё азот, который мы и превращаем в аммиак. Если создать между электродом и водой в сосуде большую разность потенциалов, то возникает электрическая дуга – миниатюрная молния, постоянно бьющая в водоём. Так как же происходит синтез?

Как мы помним, плазма – это ионизированный газ, в котором в том числе существуют свободные электроны. Когда электроны из плазмы попадают, условно говоря, в воду, то часть из них сольватируется – между молекулами воды и электроном на очень короткое время образуется временный и очень непрочный союз. Образовавшаяся частица – сольватированный электрон – очень активна, и практически сразу начинает искать, с кем бы ей прореагировать.

Идеальная мишень для таких электронов – ионы водорода, их концентрацию в воде отражает такой известный индикатор, как pH. Когда ион водорода присоединяет электрон, он превращается в нейтральную, но тоже очень активную частицу – радикал. Водородным радикалам также не терпится с кем-нибудь прореагировать: если два радикала прореагируют друг с другом, то получится молекула водорода, а если на пути водородных радикалов встретятся молекулы азота, то им не останется выбора, кроме как стать молекулами аммиака, а это нам и нужно!

В отличие от других альтернативных методов синтеза аммиака, плазменный способ не требует ничего, кроме воды, азота и источника напряжения. Нет нужды в использовании катализаторов, высокого давления и других промышленных атрибутов. С другой стороны, у этого метода тот же недостаток, что и у процесса Эйде и Биркеланда: на электрическую дугу нужно тратить много электроэнергии, и в результате по энергоэффективности плазмохимический аммиак всухую проигрывает классическому Габеру–Бошу.

Однако у плазмохимического процесса есть своё преимущество – для него не нужно строить сложную инфраструктуру, как в случае с обычным заводом, а если вдобавок использовать возобновляемые источники электроэнергии, то можно организовать весьма чистое с точки зрения экологии  химическое производство.

По материалам Science Advances.