Amoniak to jeden z związków chemicznych produkowanych w największych ilościach na świecie. Jest niezbędny dla ludzkości niemal na każdym kroku. Większość wytwarzanego amoniaku stosuje się jako nawóz w rolnictwie, ale z substancji tej korzystają także inne branże, m.in. tworzyw sztucznych, materiałów wybuchowych czy farmaceutyków.
Popyt na amoniak rośnie
Szacuje się, że rocznie produkuje się ponad 230 milionów ton amoniaku, a popyt na ten związek może wzrosnąć wraz z coraz większym zainteresowaniem rozwiązaniami ekologicznymi. Amoniak jest w stanie magazynować duże ilości energii, więc można go stosować jako ekologiczne paliwo w wielu dziedzinach, w których dekarbonizacja jest trudna.
Większość amoniaku na świecie jest wytwarzana metodą Habera i Boscha, która wykorzystuje naturalny metan do produkcji wodoru, a ten z kolei reaguje z azotem atmosferycznym, tworząc amoniak. Niestety, prawie cała obecna produkcja amoniaku na świecie wykorzystuje brudny wodór reformowany parą wodną. W procesie tym powstaje ok. 1,8% światowej emisji dwutlenku węgla, ale także duże ilości groźnego podtlenku azotu.
Naukowcy z Monash University mają pomysł, jak usprawnić metodę Habera i Boscha, by całkowicie wykluczyć gaz ziemny z procesu produkcyjnego amoniaku. Pracując nad innym projektem mającym na celu wytworzenie wybielacza ze słonej wody poprzez elektrolizę, dr Bryan Suryanto i prof. Doug MacFarlane postanowili sprawdzić, czy można zastosować ciecze jonowe do produkcji amoniaku w procesie elektrolitycznym. Okazało się, że tak.
Proces jest bardzo podobny do produkcji wodoru w elektrolizerze wodnym, z tą różnicą, że używa się elektrolitów, które są dobrze znane w świecie baterii litowych. Na powierzchni katody jest elektrolit i związek zwany rozpuszczonym azotem gazowym – azotek litu (Li3N). Elektrolit musi też zawierać nośniki jonów wodorowych lub protonów. W naszej pracy pokazaliśmy, że sole fosfonowe mogą działać jako takie nośniki protonów, aby produkować amoniak w bardzo wydajny sposób.Dr Alexander Simonov, współpracownik dr Suryanto i prof. MacFarlane’a
Kiedy jony wodoru docierają do katody, wypierają atomy litu w każdej cząsteczce azotku litu, tworząc NH3, czyli amoniak. Jest on uwalniany z powierzchni katody i wychwytywany. Jony fosfonowe krążą pomiędzy dwiema elektrodami – dostarczając protony na katodę i anodę, proces zachowuje ciągłość i można go prowadzić nawet cztery dni.
Zielony amoniak na zawołanie
W procesie powstaje ok. 53 nanomoli amoniaku na sekundę, a wydajność Faradaya procesu to ok. 69%. Warto wspomnieć, że najwyższa uzyskana wcześniej wydajność elektrolizy amoniaku wynosiła ok. 60%.
Naukowcy przekonują, że opracowana przez nich metoda jest masowo skalowalna, możliwa do wykorzystania na skalę przemysłową, jak i w małych zakładach. Technologia została już opatentowana, a jej twórcy założyli firmę Jupiter Ionics.