دانشمندان دانشگاه سیدنی با الهام از رعد و برق طبیعی و با ایجاد «رعد و برق مصنوعی» موفق به تولید مستقیم آمونیاک از هوای محیط شده‌اند.
به گزارش تکناک، این روش تنها به سوخت‌های فسیلی برای تولید آمونیاک نیاز ندارد، بلکه می‌تواند جایگزینی سبز، کم‌هزینه و غیرمتمرکز برای فرایند انرژی‌بر و آلاینده هابر-بوش باشد.
در حال حاضر، تولید آمونیاک عمدتاً با اتکا به فرایند قدیمی هابر-بوش انجام می‌شود؛ روشی که در قرن نوزدهم توسعه یافته و نیازمند دما و فشار بالا، منابع خالص نیتروژن و هیدروژن، همچنین مقادیر زیادی انرژی فسیلی است. با توجه به اینکه آمونیاک یکی از ترکیبات شیمیایی کلیدی در تولید کود، مواد خنک‌کننده و دیگر محصولات صنعتی است، این وابستگی به منابع ناپایدار، نگرانی‌های زیست‌محیطی گسترده‌ای ایجاد کرده است.
در روش جدید دانشگاه سیدنی، ابتدا با استفاده از برق قوی، مولکول‌های نیتروژن و اکسیژن موجود در هوای معمولی به فاز پلاسما وارد می‌شوند. این فرایند شباهت زیادی به عملکرد رعد و برق طبیعی دارد که در آن، الکترون‌ها از مولکول‌های هوا جدا می‌شوند و کانال پلاسما تشکیل می‌دهند.
در این حالت، مولکول‌هایی به نام اکسید نیتروژن (NOx) فعال می‌شوند که پس از تولید، به درون یک الکترولایزر ویژه با غشای نیمه‌تراوا هدایت می‌شوند.
درون این الکترولایزر، کاتالیستی از نانوذرات معیوب اکسید آهن (Fe₂O₃) روی بستر مس قرار دارد. این کاتالیست دارای «نقص‌های اکسیژنی» است؛ نوعی بی‌نظمی ساختاری که نقاط فعال شیمیایی ایجاد می‌کند و باعث می‌شود مولکول‌های NOx به راحتی به سطح آن بچسبند.
با وقوع واکنش‌های الکتروشیمیایی، اتم‌های هیدروژن یکی‌یکی به ترکیبات نیتروژن‌دار اضافه و در نهایت، گاز آمونیاک (NH₃) به صورت مستقیم تولید می‌شود. این واکنش از مسیر بهینه‌ای موسوم به «مسیر NHO» پیروی می‌کند، که انرژی مورد نیاز برای انجام فرایند را به شدت کاهش می‌دهد.
ویژگی قابل توجه این روش آن است که آمونیاک به صورت گاز تولید می‌شود؛ در نتیجه، برخلاف بسیاری از روش‌های دیگر نیازی به انحلال در مایعات یا مراحل پیچیده تفکیک وجود ندارد. این موضوع نه‌تنها مصرف انرژی را کاهش می‌دهد، بلکه باعث افزایش بهره‌وری فرایند نیز می‌شود.
پروفسور پی‌جی کالن، سرپرست این پروژه در توضیح اهداف بلندمدت تیم تحقیقاتی گفت:
«در حال حاضر، تولید آمونیاک نیازمند زیرساخت‌های صنعتی متمرکز و انتقال پرهزینه به نقاط مصرف است. ما نیازمند راهکاری کم‌هزینه، مقیاس‌پذیر و غیرمتمرکز برای تولید آمونیاک سبز هستیم.»
وی تصریح کرد که هدف بعدی گروه، افزایش بهره‌وری انرژی در بخش الکترولایزر است تا این روش از نظر اقتصادی نیز رقیبی جدی برای فرایند هابر-بوش محسوب شود.
نتایج این پژوهش در ماه آوریل در نشریه علمی Angewandte Chemie International Edition منتشر شده است. در کنار این دستاورد مهم، تیم‌های پژوهشی متعددی در سراسر جهان به دنبال سبزسازی فرایند تولید آمونیاک هستند.
- گروهی در MIT در حال آزمایش تولید آمونیاک در زیر سطح زمین است.
- دانشمندان دانشگاه نیو ساوت ولز از هوش مصنوعی برای شناسایی بهترین کاتالیست در میان ۸۰۰۰ گزینه استفاده می‌کنند.
- سال گذشته نیز محققان دانشگاه استنفورد دستگاه قابل حملی را معرفی کردند که توانایی تولید آمونیاک در دمای اتاق و در هر مکان را دارد.
با توجه به اینکه تولید آمونیاک حدود یک درصد از کل گازهای گلخانه‌ای جهان را به خود اختصاص می‌دهد، این نوآوری‌ها می‌توانند نقش بسیار مهمی در کاهش آلایندگی صنعتی و دستیابی به آینده‌ای پایدار ایفا کنند.
