Zastosowanie technologii laserowej zrewolucjonizowało metodę wiązania azotu, zapewniając nowy sposób syntezy amoniaku w warunkach otoczenia. Niedawno badacze po raz pierwszy wykorzystali dostępny na rynku laser CO2 do rozerwania potrójnego wiązania azot-azot, zapewniając w ten sposób nową ekologiczną alternatywę dla procesu Habera-Boscha.
Według doniesień międzynarodowy zespół badawczy użył lasera do przekształcenia tlenku litu w lit metaliczny, który następnie spontanicznie zareagował z azotem z powietrza, tworząc azotek litu. Sól ta łatwo ulega hydrolizie do amoniaku, co pozwala na pobicie rekordowej wydajności tej metody.
Huize Wang, pierwszy autor z Instytutu Energii Odnawialnej im. Helmholtza w Niemczech, powiedział: „Wprowadziliśmy pionierską koncepcję, która wykorzystuje wysokoenergetyczne lasery w celu ułatwienia konwersji różnych tlenków w azotki”.
Dodał: „Osiągnęliśmy niespotykaną wydajność w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym. Wynik ten jest niezwykły w porównaniu z innymi metodami”. Rzeczywista wydajność jest o dwa rzędy wielkości większa niż w przypadku innych nowoczesnych rozwiązań, w tym metod elektrochemicznych i mechanochemicznych.
To zupełnie nowe podejście do produkcji zielonego amoniaku, które jest potencjalnie bardziej zrównoważone niż proces Habera-Boscha” – powiedział Victor Mougel, ekspert w dziedzinie elektrochemicznej konwersji małych cząsteczek w Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii w Zurychu w Szwajcarii. Proces Habera-Boscha jest bardzo energochłonny ze względu na fakt, że przebiega w wysokich temperaturach i ciśnieniach, a także powoduje emisję CO2.”
Ponadto, stwierdził, nowa metoda „zapewnia elastyczność operacyjną i korzyści dla środowiska”, ponieważ działa w warunkach otoczenia. W procesie tym można również wytwarzać amoniak bezpośrednio tam, gdzie jest on potrzebny, co zmniejsza koszty transportu.
Zespół wykorzystał laser podczerwony, aby zapewnić energię wystarczającą do rozerwania wiązania litowo-tlenowego i wytworzenia litu metalicznego z tlenku litu. Pod wpływem powietrza lit metaliczny spontanicznie łączy się z azotem, rozrywając potrójne wiązanie kowalencyjne azot-azot, tworząc azotek litu.
Wyjaśnia dalej: „Następnie otrzymujemy amoniak i wodorotlenek litu poprzez hydrolizę wytworzonego laserem azotku litu. Ponadto metoda ta zapewnia możliwości recyklingu chemicznego. Laser może indukować konwersję wodorotlenku litu z powrotem do azotku litu, skutecznie kończąc cykl litowy.”
Dodał: „To jednocześnie staje się kolejną nową koncepcją – konwersją wodorotlenku w azotek”.
Jednakże Ifan Stephens, ekspert w dziedzinie elektrochemii i wiązania azotu w Imperial College London (Wielka Brytania), pozostaje sceptyczny. Mówi: „Jestem sceptyczny, czy tak wysokie uzyski utrzymają się w dłuższej perspektywie. Ponadto fakt, że jest to proces wsadowy, a nie ciągły, znacznie ogranicza jego wykonalność. Fakt, że techniki elektrochemiczne pozwalają na ciągła praca to znacząca przewaga nad nowszymi metodami indukowanymi laserem.”
Ponadto wymagania energetyczne laserów mogą stanowić problem w przypadku zwiększania syntezy amoniaku. Dodał: „Jeśli produkujesz amoniak jedynie na małą skalę jako nawóz w odległych obszarach, efektywność energetyczna staje się mniej ważna”.
Naukowcy sugerują, że ich metoda oferuje znaczne korzyści w porównaniu z elektrochemią, takie jak desolwatacja i uproszczenie. Ponadto wszystkie nowe metody syntezy amoniaku stają przed największymi wyzwaniami w miarę zwiększania się skali produkcji. Naukowcy przewidują zwiększenie skali procesu poprzez rozprowadzenie proszku tlenku litu na powierzchni siatki, a następnie napromienianie laserem szeregu komórek reaktywnych, jedna po drugiej. Ponadto naukowcy zaobserwowali, że inne tlenki, takie jak magnez, glin, cynk i wapń, wykazywały podobne zachowanie, choć z mniejszą wydajnością.
Wyjaśnia: „Może to wynikać z tego, że inne tlenki trudniej dysocjują i hydrolizują”. Jednakże reaktywność metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych wobec azotu wydaje się obiecująca. Stwierdza: „Nasze ostatnie badania pokazują, że metale występujące w większej ilości, takie jak magnez i wapń, również mogą rozkładać azot”.
