Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Электрический аммиак

Кандидат химических наук Максим Абаев

Чтобы на нашем столе появился, например, салат из свежих овощей и ломтик хлеба, эти самые овощи вместе с хлебными злаками должны сначала где-то вырасти. А чтобы растения успешно выросли и дали хороший урожай, где-то далеко от пшеничного поля или огуречной теплицы должен работать большой химический завод по производству одного опасного газа — аммиака. Ежегодно в мире производится больше 170 миллионов тонн аммиака — это примерно в 40 раз больше, чем оценочная масса крупнейшей из египетских пирамид — пирамиды Хеопса. И примерно 80—90% от этого огромного объёма аммиака идёт на производство азотных удобрений, без которых немыслимо современное сельское хозяйство.

Схематическое изображение структуры катализатора «Медь — PTCDA». Синим цветом обозначены атомы меди, красным — кислорода, серым — углерода, а белым — водорода. Рисунок: Gao-Feng Chen et. al./Nature energy (2020).

Конечно, с последним утверждением можно поспорить и попытаться выращивать культуры без использования удобрений, пестицидов и всей остальной «вредной химии». Но если вся выращенная еда в мире вдруг по-настоящему станет «эко» и «натуральной», то нам либо придётся превратить всю Землю в одну большую неэффективную грядку, уничтожив на корню оставшуюся дикую природу, либо умереть с голоду. Поэтому без химической промышленности пока никак не обойтись. Но если даже мы выбрали меньшее из зол, это не значит, что с ним нужно прекратить бороться. Особенно если учесть, что зло хоть и меньшее, но совсем не маленькое.

Что собой представляет обычный завод по производству аммиака? Это огромное предприятие, выпускающее порядка миллиона тонн аммиака в год. Для его производства используется процесс Габера (или Габера—Боша), разработанный чуть больше сотни лет назад (и за всё это время пока не было придумано более экономически выгодного процесса). Суть его заключается в прямой реакции между молекулами азота и молекулами водорода, в результате которой образуется аммиак. Процесс проходит при высокой температуре, высоком давлении и в присутствии металлического катализатора — вещества, ускоряющего химическую реакцию. Азота полно в окружающем нас воздухе, и нет больших проблем, чтобы его выделить в чистом виде. А вот с водородом сложнее — его в основном получают из природного газа в ходе так называемой паровой конверсии. Если метан (а это основной компонент природного газа) хорошенько нагреть вместе с парами воды и опять же с катализатором (без него не обходится практически ни один промышленный химический процесс), то на выходе мы получим желанный водород. И нежеланный углекислый газ. Помимо этого много энергии затрачивается на нагрев сырья, на работу заводских компрессоров, создающих высокое давление и т. д. — а это всё сопряжено с выбросами углекислого и других парниковых газов. Только на производство аммиака приходится 1% от общего годового объёма антропогенных парниковых газов.

Так что же делать, чтобы производство нужного нам аммиака было как можно менее вредным для планеты? Во-первых, можно по-пробовать заменить процесс получения водорода паровой конверсии метана на какую-нибудь более экологичную технологию. Например, получать водород электролизом воды — способ хороший, но для него нужно много электроэнергии, которую опять же нужно откуда-то добывать. Жечь природный газ на той же ТЭЦ, чтобы потом использовать электричество, представляется не очень хорошей идеей. Во-вторых, можно отказаться от старого доброго процесса Габера в пользу какого-нибудь другого более совершенного метода. Если азотфиксирующие бактерии могут усваивать азот из воздуха, то почему бы и нам не придумать нечто похожее? Придумать, конечно, можно, но для применения в промышленности такие придумки пока что мало подходят.

По сути, чтобы превратить молекулу азота в молекулу аммиака, нужно сначала разорвать химическую связь между атомами азота, а она очень-очень прочная. Именно поэтому, в классическом промышленном синтезе аммиака смесь из азота и водорода приходится сжимать и греть до высоких давлений и температур, без которых азот «отказывается» превращаться в аммиак. Иногда на помощь химикам приходит своеобразная «волшебная палочка» — электролиз. Под действием электрического тока протекают самые разные химические реакции. Например, как мы уже говорили выше, обычную воду можно разложить на водород и кислород или из глины получить металлический алюминий. Однако с азотом подобный электрохимический фокус просто так не проходит — либо эффективность процесса совсем уж никакая, либо вместе с аммиаком получается множество других соединений, от которых аммиак отделить сложнее, чем синтезировать его из простых веществ.

Исследователи из Южно-Китайского технологического университета и Аргоннской национальной лаборатории (США) предложили в журнале «Nature energy» новый вариант получения аммиака с помощью электролиза из раствора солей азотной кислоты — нитратов. Существует такая шуточная химическая поговорка, что если реакция не идёт или идёт не так, как надо, значит для неё ещё просто не подобран правильный катализатор. В качестве катализатора может выступать практически любое химическое вещество. В живых существах — это белки, в промышленности — обычно это разные соединения металлов. И китайским химикам удалось подобрать такой катализатор, который позволяет получать аммиак из нитратов. Им оказалось соединение меди и диангидрида перилен-3,4,9,10-тетракарбоновой кислоты. С его помощью растворённые в воде нитраты можно электрокаталитически превращать в полезный аммиак.

Если у исследователей получится развить это направление, то с помощью такого метода можно будет, например, очищать сточные воды от повышенного содержания нитратов, получая при этом ещё и ценное химическое сырьё. Можно посмотреть на это и более широко — как на некоторый прообраз химической промышленности будущего. Вместо существующих заводов, не самым лучшим образом перерабатывающих добытое природное сырьё, производящих вредные выбросы в воздух и водоёмы, человечество могло бы со временем перейти к производству, наоборот, очищающему нашу планету от негативных последствий стремительной индустриализации XX века. И будет лучше заняться такой «уборкой» как можно раньше.

Другие статьи из рубрики «Горизонты науки»