Использование лазерных технологий произвело революцию в методе фиксации азота, открыв новый способ синтеза аммиака в условиях окружающей среды. Недавно исследователи впервые использовали коммерческий CO2-лазер, чтобы разорвать тройную связь азот-азот, предоставив тем самым новую «зеленую» альтернативу процессу Хабера-Боша.
Сообщается, что международная исследовательская группа использовала лазер для преобразования оксида лития в металлический литий, который затем самопроизвольно вступал в реакцию с азотом воздуха, образуя нитрид лития. Эта соль легко гидролизуется до аммиака, что позволяет методу побить рекорды урожайности.
Хьюзе Ван, первый автор из Института возобновляемой энергии имени Гельмгольца в Германии, сказал: «Мы представили новаторскую концепцию, которая использует высокоэнергетические лазеры для облегчения преобразования различных оксидов в нитриды».
Он добавил: «Мы достигли беспрецедентных результатов при комнатной температуре и атмосферном давлении. Этот результат является замечательным по сравнению с другими методами». Реальный выход на два порядка выше, чем у других современных решений, в том числе электрохимических и механохимических методов.
Это совершенно новый подход к производству зеленого аммиака, который потенциально более устойчив, чем процесс Габера-Боша», — сказал Виктор Мугель, эксперт по электрохимическому преобразованию малых молекул в Швейцарском федеральном технологическом институте в Цюрихе, Швейцария. Процесс Габера-Боша очень энергозатратен из-за того, что он работает при высоких температурах и давлениях, а также приводит к выбросам CO2».
Кроме того, по его словам, новый метод «предлагает эксплуатационную гибкость и экологические преимущества», поскольку он работает в условиях окружающей среды. Этот процесс также позволяет производить аммиак непосредственно там, где он необходим, что снижает транспортные расходы.
Команда использовала инфракрасный лазер, чтобы обеспечить достаточно энергии для диссоциации связи литий-кислород и получения металлического лития из оксида лития. При воздействии воздуха металлический литий самопроизвольно соединяется с азотом, разрывая тройную ковалентную связь азот-азот с образованием нитрида лития.
Далее он поясняет: «Далее мы получаем аммиак и гидроксид лития путем гидролиза нитрида лития, полученного лазером. Кроме того, этот метод открывает возможности для химической переработки. Лазер может вызвать превращение гидроксида лития обратно в нитрид лития, эффективно прекращая литиевый цикл».
Он добавил: «Это одновременно становится еще одной новой концепцией – превращением гидроксида в нитрид».
Однако Ифан Стивенс, эксперт по электрохимии и фиксации азота из Имперского колледжа Лондона (Великобритания), по-прежнему настроен скептически. Он говорит: «Я скептически отношусь к тому, что такие высокие выходы будут устойчивыми в долгосрочной перспективе. Кроме того, тот факт, что это периодический, а не непрерывный процесс, значительно ограничит его осуществимость. Тот факт, что электрохимические методы позволяют непрерывная работа является значительным преимуществом перед новыми методами лазерной индукции».
Кроме того, энергетические потребности лазеров могут создать проблему для расширения синтеза аммиака. Он добавил: «Если вы производите аммиак только в небольших масштабах в качестве удобрения в отдаленных районах, тогда энергоэффективность становится менее важной».
Исследователи предполагают, что их метод предлагает значительные преимущества перед электрохимией, такие как десольватация и упрощение. Кроме того, все новые методы синтеза аммиака сталкиваются с самыми серьезными проблемами по мере расширения производства. Исследователи предполагают масштабирование процесса путем распределения порошка оксида лития на поверхности решетки, а затем облучения массива реактивных ячеек одну за другой лазером. Кроме того, исследователи заметили, что другие оксиды, такие как магний, алюминий, цинк и кальций, демонстрируют аналогичное поведение, хотя и с более низкими выходами.
Он объясняет: «Это может быть связано с тем, что другие оксиды труднее диссоциировать и гидролизовать». Однако реакционная способность щелочных и щелочноземельных металлов по отношению к азоту кажется многообещающей. Он заявляет: «Наши недавние исследования показывают, что более распространенные металлы, такие как магний и кальций, также могут расщеплять азот».
