Новый способ получения аммиака

Строение катализатора, ускоряющего синтез аммиака при низком давлении

Сто лет назад, в 1918 году, Нобелевскую премию по химии присудили Фрицу Габеру и Карлу Бошу за разработку промышленного способа получения аммиака из водорода и азота. И сегодня этот процесс остается главной технологией связывания атмосферного N₂. Ежегодный объем производства аммиака по Габеру — Бошу — 140 миллионов тонн; человечество тратит на это около 2% всей вырабатываемой энергии. Энергия необходима главным образом для создания высокого давления — взаимодействие водорода с азотом требует температур около 400^оС и давления 20 МПа. Возможно, производство аммиака подешевеет благодаря новому катализатору, который разрушает тройную связь азот-азот в более мягких условиях («Nature Catalysis», 2018, 1, 178—185, doi: 10.1038/s41929-017-0022-0, полный текст).

Новый катализатор LaCoSi обнаружила группа Хидео Хосоно и Цзюньцзе Вона из Токийского технологического института. При температуре 400°C и нормальном атмосферном давлении он в десять раз эффективнее катализирует превращение азотоводородной смеси в аммиак, чем его ближайший конкурент — смешанный нитрид молибдена-кобальта. Есть еще одно вещество, которое приближается к LaCoSi по каталитической активности в разрыве тройной связи азот-азот, но не превосходит его, — это металлический рутений. Однако для масштабов промышленного производства аммиака он слишком редкий и дорогой.

Состав LaCoSi не совсем обычен для тех, кто помнит химию только в рамках школьного курса. Это представитель соединений-интерметаллидов (они содержат металлы, но в отличие от сплавов подчиняются закону постоянства состава), образованный f-металлом, d-металлом и р-элементом. Состав и строение кристаллической решетки LaCoSi таковы, что на кобальте образуется высокая электронная плотность, а это позволяет разрушать прочные ковалентные связи в молекулах H₂ и N₂. Как отмечают исследователи, энергия активации каталитического процесса — самая низкая среди изученных ранее. Причина в интересной особенности процесса: энергия, которая выделяется в результате адсорбции азота на поверхности катализатора, расходуется на разрыв тройной связи N ≡ N.

Говорить о том, что процесс Габера скоро уступит место катализатору LaCoSi, пока рано. Японские ученые продолжают работать, чтобы увеличить эффективность рабочей поверхности катализатора и выяснить, проявит ли интерметаллид LaCoSi высокую каталитическую активность и в промышленных масштабах. В любом случае разработка способов связывания атмосферного азота — один из святых граалей химии, поэтому любые результаты в этой области важны не только в практическом плане, но и для теории каталитических процессов.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 4/2018) на с. 8 — 9.