Солнечное топливо. Экономичный аммиак.

Схема ячейки PEC, используемой для производства NH₃. Фотокатод Ru@TiNS / Ni /перовскит объединён с анодом Pt@TiNS для одновременного производства NH₃ без смещения и увеличения содержания глицерина. Источник.

Фотоэлектрохимическое производство аммиака (NH₃) потенциально экологично, но страдает от низкой производительности по переработке солнечной энергии в аммиак (SAP ‒ solar-to-ammonia productivity). Кроме того, препятствием выступает также необходимость значительных дополнительных затрат на производственный процесс за счёт восстановления нитратов и окисления воды. Но недавно международная группа исследователей, состоящая из специалистов Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) и Стэнфордского университета, представила свою новаторскую технологию, которая для высокоэффективного производства аммиака использует солнечную энергию.

Под руководством профессора Сон Ен Чана и профессора Джи Вук Чана из Школы энергетики и химической инженерии UNIST и в сотрудничестве с профессором Томасом Ф. Харамильо из Стэнфорда, команда учёных разработала экологичную фотоэлектродную систему на основе перовскита для производства этого соединения, которая превзошла стандарт коммерциализации Министерства энергетики США (DOE) во впечатляющие 1,7 раза, установив новый мировой рекорд эффективности производства аммиака.

Инновационная система работает по принципу уменьшения содержания нитратов (NO₃-) в воде для получения целевого вещества с использованием солнечной энергии. Этот метод предлагает гораздо более экологичную альтернативу традиционному процессу Хабера-Боша, при котором смесь азота и водорода пропускается через нагретый катализатор под высоким давлением, вследствие чего равновесие реакции смещается в сторону аммиака. Дело в том, что этот обычный промышленный способ в значительной степени зависит от ископаемого топлива и требует 3200 кВт/ч энергии на производство всего 1 тонны аммиака при эффективности в 30%.

Помимо этого преимущества, новый подход открывает возможности для синтеза высокоценных соединений, используемых в различных отраслях промышленности ‒ от пищевой и фармацевтической до производства удобрений.

Ключом к успеху стала разработка высокоэффективной фотоэлектродной системы, состоящей из перовскитовых солнечных элементов с рутениевым (Ru) катализатором на нанолистах титаната (TiNS). Защитив перовскитный материал металлом Филда ‒ легкоплавким сплавом, «тающим» при температуре около 62°C ‒ и объединив его с Ru-катализатором, исследователи добились беспрецедентной эффективности и надёжности производственного процесса.

Помимо фотоэлектродов заслуживает внимания ещё одно решение, позволившее производить аммиак без необходимости подключения внешнего напряжения. Столь приятным сюрпризом мы обязаны использованию в реакции глицерина в качестве реагента. Таким образом реакция окисления глицерина оптимизировалась самими фотоэлектродами, генерирующими напряжение, плотностью фототока 21,2 ± 0,7 мА/см². Стабильное избирательное образование NH₃ и окисление глицерина были достигнуты соответствующим размещением электрокатализаторов (рутения Ru и платины Pt) на проводящие и стабильные подложки из нанолиста титаната вместо углеродных, подверженных коррозии, подложек.

При таких условиях тесты продемонстрировали максимальную скорость производства аммиака в 1745 мкг/см² в час, что, как пишут авторы в статье, опубликованной в журнале по каталитическим исследованиям Nature Catalysis, намного превосходит стандарт коммерциализации Министерства энергетики США. Всё это позволяет авторам с уверенностью говорить о перспективах распространения этой технологии, ведь она сопряжена не только с экологически чистым производством аммиака, но и с расширением способов утилизации некоторых видов биомусора.

«С помощью этого исследования мы продемонстрировали производство NO₃-, основного источника загрязнения воды, одновременно окисляя глицерин, малоценный побочный продукт, получаемый из биомассы, с образованием более ценной глицериновой кислоты (GA), ‒ подчёркивает профессор Джи Вук Чан. ‒ Эта технология обладает огромным потенциалом для производства экологически чистого топлива».

Профессор Сон Ен Чан обращает внимание на важность развития производства так называемого солнечного топлива: «Наше исследование представляет собой значительный прогресс в производстве солнечного топлива, превосходящий стандарты коммерциализации и прокладывающий путь к более устойчивому будущему в производстве аммиака».

Напоследок хочется напомнить о разработке масштабируемого катализатора в Университете Райса, о чём мы писали в ноябре позапрошлого, 2022, года. Будучи весьма доступным (он создан на базе довольно распространённых материалов), этот ускоритель реакций преобразует аммиак в водородное топливо под действием света – хоть солнечного, хоть искусственного.

Это объединяющий момент: оба представленных решения активируются светом; одно ‒ значительно оптимизирует и упрощает синтез аммиака, другое ‒ облегчает его расщепление на азот и водород. Интересно, захотят ли эти две команды (или кто-то третий) объединить две инженерных технологии в одном устройстве? Или это не имеет смысла? А может быть стоит сюда подключить ещё и четырёхкратно превосходящую аналоги технологию хранения водорода, на днях представленную Сколтехом?

АРМК, по материалам UNIST.