Amoniak (NH3) je velice důležitá chemická sloučenina, vyrábí se v obrovských množstvích pomocí tzv. Haber-Boschovy syntézy. Jeho výroba je ale velmi energeticky náročná, proto se stále hledají cesty k úspornějším postupům.
Amoniak se využívá při výrobě hnojiv, jako chladivo, palivo i jako složka čistících prostředků. Je také výchozí látkou pro výrobu kyseliny dusičné (HNO3).
NH3 + 2 O2 → HNO3 + H2O
Roční produkce amoniaku se pohybuje okolo 150 miliónů tun, na výrobu jedné tuny amoniaku se spotřebuje přibližně 8 MWh energie.[2,3] Ve hře je tedy opravdu obrovské množství energie a také emisí oxidu uhličitého.
Už před delší dobou byla vyvinuta mechanochemická cesta k přípravě této sloučeniny, nyní se objevila další metoda, tentokrát fotoelektrochemická.
Proces vyžaduje fotokatodu složenou z křemíkového waferu, na něm je nanesena vrstva oxidu titaničitého a kokatalyzátoru PdCu (PdCu/TiO2/Si). Procesu se účastní také lithium, které slouží k fixaci plynného dusíku a umožňuje tak jeho následnou konverzi na amoniak. Proces můžeme popsat rovnicí:
$$3\ \textrm{Li}^+\ +\ \frac{1}{2}\ \textrm{N}_2\ \overset{\ \ 3\textrm{e}^-}\rightleftharpoons\ \textrm{Li}_3\textrm{N} \overset{3\ \textrm{H}^+}\rightarrow\ 3\ \textrm{Li}^+\ +\ \textrm{NH}_3$$
Lithium je v systému přítomno ve formě roztoku 0,1 M chloristanu lithného (LiClO4) a propylenkarbonátu v ethanolu, ethanol slouží jako zdroj protonů.
Vrstva TiO2 byla na černý křemík deponována odpařováním Ti v atmosféře Ar/O2. Na tuto vrstvu bylo následně napařeno palladium a měď, čímž vznikl kokatalyzátor PdCu.
Roztok elektrolytu byl před testem nasycen plynným dusíkem a fotokatoda byla následně ozařována umělým slunečním světlem. Koncentrace vzniklého amoniaku byla měřena iontově selektivní elektrodou a pomocí indofenolové modři.[4]
Výtěžnost procesu byla velmi dobrá, 43,09 µg,cm−2.h−1, proudová účinnost pak dosahovala až 46 %. Krokem určujícím rychlost je zřejmě rozklad nitridu lithného, Li3N.
Samozřejmě se nedá očekávat, že se tento způsob okamžitě objeví v praxi, ale autoři byli poměrně důkladní a prozkoumali proces velmi podrobně, včetně testování různých zdrojů protonů a postupů přípravy fotokatody. Proto se může jednat o velmi významnou výchozí studii pro udržitelnější výrobu amoniaku.
Literatura
- Photoelectrochemical N2-to-NH3 Fixation with High Efficiency and Rates via Optimized Si-Based System at Positive Potential versus Li0/+
- Ammonia production worldwide from 2010 to 2022
- Ammonia: zero-carbon fertiliser, fuel and energy store
- Determination of ammonia in seawater by the indophenol-blue method: Evaluation of the ICES NUTS I/C 5 questionnaire