Новый способ получения аммиака

А.И. Курамшин

pic_2018_04_08-2.jpg

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 400оС 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.

Разные разности
Пингвины во сне
Все мы знаем, как важен сон. В этом смысле очень тяжело молодым мамам. Первый месяц-два, когда детеныша надо кормить каждые три часа, о ночном сне можно забыть. И это тяжело, женщины знают. А как животные с этим справляются? Например — птицы? Би...
Долгожители обязаны вирусам
Почему при прочих равных условиях одни доживают до ста лет, а другие — нет? Исследователи из Копенгагенского университета решили поискать ответ на этот вопрос в кишечнике долгожителей, а точнее — в том гигантском сообществе бактерий, которы...
Сердце требует движения
Огромное количество исследователей во всем мире изучает сердечно-сосудистые заболевания и пытается найти универсальное решение. И на самом деле все они сходятся в одном: универсальное решение есть, и это — движение.
Фантастический телескоп
Два года назад NASA запустило в космос уникальную инфракрасную обсерваторию, до сей поры невиданную — телескоп Джеймс Уэбб. Мы уже рассказывали об этом, но не грех и повторить, потому что это настоящее рукотворное чудо.