Американские ученые предложили «зеленую» модификацию процесса Габера, с помощью которого получают аммиак. С помощью металл-органических структур исследователям удалось снизить температуру и давление, при которых протекает реакция. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Значение аммиака в промышленности и сельском хозяйстве велико, так как он используется для получения синтетических удобрений. Обычно аммиак получают с помощью процесса Габера. В ходе этого процесса используются газообразные азот и водород, реакция между которыми протекает при температуре 300-500 ? и при давлении, превышающем атмосферное в 150-300 раз. Аммиак из реакционной среды удаляют, охлаждая газовую смесь до -20 ?. При этой температуре аммиак конденсируется в виде жидкости. Проблема процесса Габера заключается в том, что он требует больших затрат энергии. По оценкам экспертов, на этот процесс затрачивается 1% ископаемых топлив в мире, и в результате этого вырабатывается 1% всех выбросов углекислого газа. Именно поэтому ученые по всему миру уже много лет пытаются разработать «зеленую» версию процесса Габера. Например, исследователи предлагали использовать в этой реакции водород, полученный фотолизом воды. Также ученые разрабатывали особые катализаторы, которые снижали температуру и давление реакции. Однако все равно оставалась проблема — удаление аммиака из реакционной смеси. Для этого исследователи пытались использовать пористые материалы — например, цеолиты. Но они оказались не способны поглощать и выпускать большие объемы аммиака. Тогда ученые попытались использовать металл-органические структуры, но и здесь столкнулись с трудностью. Такие структуры разлагались под действием аммиака, который является сильным коррозионным агентом.
В новом исследовании ученые предложили использовать металл-органическую структуру, которая состоит из атомов меди, соединенных между собой органическими молекулами — циклогександикарбоксилатами. Этот материал является прочным и пористым трехмерным полимером. При взаимодействии с аммиаком он меняет свою структуру, превращаясь в одномерный полимер. Благодаря этому материал способен связывать аммиак с высокой плотностью, при этом реакция протекает при умеренном давлении и температуре 175 ?. После удаления аммиака материал восстанавливает свою исходную структуру.
Ученые отметили, что предложенную ими металл-органическую структуру можно модифицировать так, чтобы она могла принимать участие в процессе Габера при различных условиях. Это может быть полезно в различных применениях этого процесса.
Также ученые считают, что разработанная ими структура может позволить удешевить процесс Габера. Благодаря этому получением аммиака и удобрений смогут заниматься даже небольшие предприятия, что, в свою очередь, поспособствует развитию сельского хозяйства.