Воздух + вода = аммиак

Исследователи из Университета Хоккайдо разработали процесс, который с определенной натяжкой можно назвать искусственным фотосинтезом («Angewandte Chemie Int. Ed.», 2016, 55, 12, 3942—3946, doi: 10.1002/anie.201511189). Они использовали фотоэлектрод c золотыми наночастицами, на нем закрепили оксид с полупроводниковыми свойствами. Сырьем для этого варианта «фотосинтеза» был не углекислый газ, а основной компонент воздуха азот, и продуктом — не углеводы, а аммиак, но значение новой разработки трудно переоценить.

Исследователям из группы Хироаки Мисавы и Томои Осикири удалось создать катализатор, с хорошей эффективностью конвертирующий молекулярный азот в аммиак. Закрепив этот катализатор на фотоэлектроде, модифицированном наночастицами золота, исследователи смогли получить аммиак из азота воздуха и воды, облучая реакционную смесь видимым светом.

Новая разработка интересна с двух точек зрения. Во-первых, это вклад в создание новых систем фиксации атмосферного азота, продукты которой можно использовать для получения других азотсодержащих соединений. Во-вторых, такая реакция может стать новым способом накопления химической энергии — ведь именно для этого сегодня активно работают над методами искусственного фотосинтеза, которые могли бы конвертировать возобновляемую солнечную энергию в химическую. Аммиак вполне мог бы стать топливом будущего: в отличие от водорода он практически безопасен с точки зрения самовозгорания, а сжижать его можно без особых затрат энергии.

Эти перспективные использования аммиака пока еще остаются теорией: проблема в способе его производства. В наши дни единственный метод промышленного производства аммиака — процесс Габера—Боша, разработанный еще в 1910 году (каталитическое взаимодействие молекулярного азота с водородом при высоком давлении). Он требует очень много энергии, поскольку для него необходимо поддерживать давление 15—20 ГПа, получать водород для взаимодействия с азотом и бороться с равновесным характером реакции. Сегодня не менее 1% всей вырабатываемой человечеством энергии расходуется именно на процесс Габера—Боша.

Очевидно, что для того, чтобы аммиак действительно смог бы стать аккумулятором химической энергии, необходимо придумать более дешевый метод синтеза, чем тот, что предложил сто лет назад нобелевский лауреат и по совместительству отец химического оружия Фриц Габер. Этот способ должен кардинально отличаться от прямого связывания азота (реакция азота и водорода), и японским исследователям удалось вплотную подобраться к решению проблемы. По словам химиков из Хоккайдо, ключом к новому подходу оказалось удачное сочетание строения золотой наноантенны, которая способна концентрировать энергию падающего света в ультрамалом объеме, и сокатализатора, селективно сорбирующего азот на твердой поверхности. Иммобилизованный азот легко вступает в каталитическое присоединение водорода, ведущее к образованию аммиака.

В будущем исследователи планируют увеличить эффективность системы и расширить область спектра, оказывающую воздействие на реакционную смесь. Тогда можно будет думать о коммерциализации «чистого фотосинтетического» способа получения аммиака из воды и воздуха.