Newswise — Ученые из Стэнфордского университета и Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики превращают воздух в удобрения, не оставляя при этом углеродного следа. Их открытие может предоставить столь необходимое решение, которое поможет достичь мировых целей по снижению выбросов углерода к 2050 году.
Опубликовано в журнале Королевского химического общества. Энергетика и экология Исследование описывает устойчивый электрохимический, а не химический процесс производства аммиака, ключевого ингредиента азотных удобрений. По сути, исследователи использовали рассеяние нейтронов, чтобы понять, как циклическое использование электрического тока во время превращения азота в аммиак, также известного как реакция восстановления азота, увеличивает количество образующегося аммиака. Этот процесс может позволить фермерам преобразовывать азот, самый распространенный элемент в нашей атмосфере, в удобрения на основе аммиака без выбросов углекислого газа.
«Аммиак имеет решающее значение для обеспечения продовольствием большей части населения мира», — сказала Сара Блэр, бывшая аспирантка Стэнфордского центра изучения интерфейсов и катализа, которая сейчас работает в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Колорадо в качестве постдокторанта. «Поскольку население мира продолжает расти, нам нужны устойчивые способы производства удобрений, особенно по мере усиления потепления».
Промышленные удобрения позволяют фермерам выращивать больше продуктов питания на меньшем количестве земли. Тем не менее, на основной метод производства промышленного аммиака, существующий уже более века, — процесс Габера-Боша — приходится почти 2% всех выбросов углекислого газа из-за необходимого для этого ископаемого топлива. Два процента могут показаться не такими уж большими, но мы добавляем углекислый газ в атмосферу быстрее, чем планета может его поглотить, прилагая все усилия для сокращения этого числа. Процесс Хабера-Боша производит около 500 миллионов тонн углекислого газа каждый год, для поглощения и хранения которого потребуется эквивалент почти всех федеральных земель США.
Результаты исследования также могут помочь ученым понять другие процессы производства углеродно-нейтрального аммиака для других применений. Они могут включать в себя переработку или повторное улавливание стоков удобрений до того, как они попадут в водные потоки, а также производство аммиака в морских портах для заправки судов. Глобальное судоходство производит еще 3% мировых выбросов углекислого газа, а сжигание ископаемого топлива является крупнейшим источником углекислого газа в результате деятельности человека.
«Вы не можете улучшить конструкцию чего-либо, если не знаете, как оно уже работает», — сказал Блэр. «Нейтроны помогают науке развиваться, проливая свет на атомном уровне на определенные системы, которые невозможно изучить иначе».
Блер и Мэт Дусе, старший научный сотрудник ORNL по рассеянию нейтронов, провели свои нейтронные эксперименты на Прибор рефлектометра жидкостей на источнике расщепительных нейтронов. Их целью было понять влияние циклического прохождения электрического тока на формирование границы раздела твердого электролита, или SEI, в системе реакции восстановления азота, которая производит аммиак с использованием лития в качестве медиатора. Понимание формирования SEI является ключом не только к открытию науки, лежащей в основе электрохимического производства аммиака, но и к производству более совершенных батарей. Это исследование также знаменует собой первое использование нейтронных методов для наблюдения за формированием слоя SEI во время этого конкретного электрохимического преобразования.
Кроме того, в результате исследования появился новый уникальный нейтронный метод — рефлектометрия с временным разрешением. Этот метод позволяет ученым разрезать нейтронные данные с шагом в несколько секунд, улавливая больше деталей, подобно просмотру фильма кадр за кадром. Первоначально Блэр и Дусе думали, что наблюдаемые ими электрохимические изменения происходят постепенно. Однако благодаря новой методике они обнаружили изменения, происходящие с гораздо меньшими промежутками времени.
«Процессы, которые кажутся линейными, могут оказаться нелинейными вообще, если присмотреться к ним более внимательно», — сказал Дусе. «Добраться до этой структуры как функции времени — самая сложная часть. Техника, которую мы разработали для этого эксперимента, позволила нам сделать именно это».
Открытия SNS закладывают основу знаний для технологических инноваций, которые улучшают повседневную жизнь людей. Методика, разработанная Блэром и Дусе, открывает новые возможности в электрохимии для пользователей социальных сетей.
Ханью Ван, специалист по приборам ORNL, который также тесно сотрудничает с пользователями SNS, сказал: «Эти эксперименты, зависящие от времени, привлекут ученых, изучающих химию разделения».
Руководитель группы нейтронной рефлектометрии ORNL Джим Браунинг добавил: «Их подход может ответить на множество вопросов в области химии разделения, батарей и целого ряда различных областей интересов, таких как производство энергии, хранение энергии и сохранение энергии».
В этом исследовании использовались ресурсы SNS, которая является пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики США.
UT-Battelle управляет ORNL Управления науки Министерства энергетики США, крупнейшего спонсора фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах. Управление науки работает над решением некоторых из наиболее острых проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https://energy.gov/science. Самнер Браун Гиббс
EUROPEAN UNION 