Исследователи разработали фотохимический способ получения аммиака из молекулярного азота и воды при комнатной температуре. Реакция проходит под ультрафиолетовым излучением и не требует исходного водорода, сообщается в Nature Chemistry.
Аммиак состоит из азота и водорода. В промышленности его преимущественно производят по процессу Габера — Боша: азот воздуха реагирует с водородом при высокой температуре и давлении. Водород при этом обычно получают из природного газа.
В новом эксперименте источником водорода служит вода. Система объединяет её окисление с восстановлением молекулярного азота — присоединением электронов и протонов, в результате которого образуется аммиак.
Под действием коротковолнового ультрафиолета, или UVC, ионы железа Fe(II) создают в растворе свободные электроны. Они восстанавливают молибденовый катализатор, на котором происходит последовательное превращение азота.
Образующиеся ионы Fe(III) также поглощают ультрафиолет. После этого они восстанавливаются обратно до Fe(II), одновременно участвуя в окислении воды. Таким образом, железо циркулирует между двумя состояниями и поддерживает фотохимическую реакцию.
Квантовый выход процесса составил 5%. Этот показатель отражает долю поглощённых фотонов, которые привели к целевому химическому превращению. При повышенном давлении азота значение увеличилось до 10,8%.
Использование давления связано с низкой растворимостью молекулярного азота в воде. Чем больше газа переходит в раствор, тем больше молекул становится доступно катализатору.
Авторы также провели реакцию в неочищенной природной морской воде. В другом опыте источником азота служил обычный атмосферный воздух, а не баллон с очищенным газом. Эти эксперименты подтвердили образование аммиака, но не представляли собой непрерывный производственный процесс.
Расчётная эффективность преобразования энергии света в химическую энергию достигла 7,6%. Энергетическая ёмкость реакции составила 329,2 килоджоуля на моль.
Эксперимент проводился в лабораторной гомогенной системе, где катализатор и другие компоненты находились в одном растворе. Источником энергии служил UVC. Такое излучение почти полностью задерживается земной атмосферой, поэтому для практической установки потребуется искусственный источник ультрафиолета. Его энергопотребление и влияние на общую эффективность промышленного процесса нуждаются в отдельном расчёте.
Университет Бордо, Национальный центр научных исследований Франции и инженерный институт Bordeaux INP подали патентную заявку на использование солей железа в предложенной реакции. Авторы статьи указаны среди изобретателей.
Отметим, что производство аммиака остаётся крупным источником энергопотребления и связанных с ним выбросов CO₂, поскольку в промышленности оно опирается на процесс Габера—Боша и водород из ископаемого топлива. Новая работа показывает лабораторную возможность синтеза аммиака при комнатной температуре с использованием воды, а не исходного водорода. Отдельный интерес для экологической повестки представляет то, что реакцию испытали не только в модельном растворе, но и в природной морской воде, а также с азотом атмосферного воздуха.
