Производство удобрений с использованием солнечного света и воздуха

Решение 75-летней загадки из области взаимодействия материалов может позволить фермерам в разных странах производить свои собственные удобрения, когда им это необходимо, используя солнечный свет и азот из воздуха

Благодаря специализированному источнику рентгеновских лучей, находящегося в Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли, исследователи из Технологического института Джорджии подтвердили существование давно предполагаемой взаимосвязи между азотом и диоксидом титана TiO₂ - распространенным фотоактивным материалом. Они посчитали, что в достигнутой каталитической реакции принимали участие атомы углерода, которые присутствовали на диоксиде титана в виде загрязнителей.

Если реакция с получением азота будет расширена, то это обеспечит чистое производство удобрений в масштабах целого фермерского хозяйства, что снизит его зависимость от необходимости приобретать продукцию у капиталоемких централизованных производственных предприятий, использующих дорогостоящие системы ее распределения.

В настоящее время большая часть мировых удобрений производится с использованием аммиака, получаемого, благодаря процессу Габера-Боша, для которого требуется большое количество природного газа.

Исследование, опубликованное в журнале American Chemical Society, https://doi.org/10.1021/jacs.8b08464, началось более пяти лет назад. Поводом послужил вопрос, который прозвучал еще в 1941 году, когда индийский ученый-почвовед сообщил о росте количества аммиака, испускаемого компостом под воздействием света. Он предположил, что причиной данного явления может быть фотокаталитическая реакция с участием минералов в компосте.

Другие исследователи также сообщали о получении азота при производстве титана и аммиака, но экспериментальное подтверждение озвученных результатов в дальнейшем не происходило.

Для исследования поверхности диоксида титана ученые использовали специальное лабораторное оборудование, которое позволило применить рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию в то время, когда азот, вода и кислород взаимодействовали с поверхностями, находящимися под давлением, близким к атмосферному, в темноте и на свету.

Сначала исследователи фотохимическую фиксацию азота не наблюдали, но по мере продолжения эксперимента, когда свет направлялся на поверхность минералов, им удалось стать свидетелями уникального взаимодействия между азотом и диоксидом титана.

Чем объясняется первоначальное отсутствие результатов? Исследователи считают, что загрязнение поверхности углеродом, вероятно, является ключевым моментом протекания этой реакции. Углеводород является необходимой частью каталитического процесса восстановления азота на диоксиде титана.

«Перед испытанием образцы проходили очистку от почти всех следов углерода с их поверхности, однако во время экспериментов углерод из различных источников (газов и вакуумной камеры) в некотором количестве попадал обратно на образец». «То, что удалось наблюдать, могло возникнуть, только если в образце могла находиться определенная степень углерода».

Гипотеза о загрязнении углеводородами объясняет, почему более ранние исследования давали противоречивые результаты. Углерод всегда присутствует в некотором количестве на диоксиде титана, но правильное его количество и тип может оказаться ключом к тому, чтобы гипотетическая реакция сработала.

«Думается, что это объясняет удивительные результаты, о которых ранее сообщалось в различной литературе, и есть надежда, что это даст представление о том, как создавать новые катализаторы, используя решение этой 75-летней загадки». «Часто лучшими катализаторами являются чистые материалы, реакция с которыми протекает в чистом помещении. Здесь всё как раз наоборот - эта реакция нуждается в дополнительных примесях».

Хотя количество аммиака, образующегося в результате реакции, в настоящее время является низким, исследователи считают, что с улучшением процесса станет возможным производство удобрений на месте.

Источник: Georgia Institute of Technology