Mechanochemická syntéza amoniaku

Amoniak (NH3) je jednou z nejdůležitějších syntetických surovin, připravuje se převážně Haberovým-Boschovým procesem, kdy jsou dusík a vodík vystaveny tlaku 100 atmosfér a teplotě 500 °C. Tato syntéza je energeticky extrémně náročná, spotřebuje zhruba 1 % z celosvětové produkce energie a je odpovědná za 1,4 % emisí oxidu uhličitého.[5] Nyní byla publikována metoda, která slibuje výrobu amoniaku mechanochemicky za atmosférického tlaku a teplotě 45 °C.[1,2]

Tlaková láhev s amoniakem. Zdroj: Masur/Commons

Haberova-Boschova syntéza amoniaku

Jde o jedinou používanou metodu pro průmyslovou výrobu amoniaku. Vyvinuta byla na počátku 20. století chemiky Fritzem Haberem a Carlem Boschem. Jako výchozích látek využívá plynný dusík a vodík.[3-6]

Molekulární dusík je poměrně inertní plyn (proto se využívá jako ochranná atmosféra při manipulaci s látkami citlivými na vlhkost a kyslík) a je velmi obtížné ho donutit k reakci.

N2 + 3 H2 → 2 NH3

Aby byla reakce proveditelná, je nutné využít kovový katalyzátor. Ten způsobí disociaci dusíku i vodíku na monoatomické částice, které jsou podstatně reaktivnější.

Jako katalyzátor se v současnosti používají oxidy železa, společně s oxidem vápenatým a hlinitým. Dříve se využívalo i osmium, ale od toho se upustilo (kvůli špatné dostupnosti a vysoké ceně).

Obrázek dole ukazuje schéma celého procesu. Jako zdroj vodíku slouží methan, který se reakcí s vodní parou na niklovém katalyzátoru převádí na vodík a oxid uhličitý.

Schéma Haber-Boschova procesu. Zdroj: Francis E Williams/Commons

Reakce je exotermní, proto by se měla reakční směs spíše chladit, ale pro správnou funkci katalyzátoru je nutná teplota okolo 500 °C. Jelikož během reakce dochází k poklesu tlaku (ze čtyř molů plynu vznikají dva), provádí se za zvýšeného tlaku.

Video s laboratorním provedením syntézy amoniaku najdete na odkazu [6].

Mechanochemie

Mechanochemie je chemická syntéza, kde je energie do reakční směsi dodávána pomocí mechanické energie. Nejčastěji jde o mletí pevných reaktantů v kulovém mlýnu.[6]

Mechanochemická syntéza amoniaku

Nová metoda výroby amoniaku je založena na mechanochemické reakci plynného dusíku s vodíkem. Suroviny tedy zůstávají stejné, ale prudce klesá náročnost výroby, protože probíhá za atmosférického tlaku a teploty pouhých 45 °C.

Syntéza je zachycena na videu, které je dostupné v supplementu [2]. Do reaktoru je nejprve vloženo 500 g ocelových koulí a 24 g železného prášku, který slouží jako katalyzátor. Poté je reaktor napuštěn dusíkem a mletím dochází k reakci s povrchem železa za vzniku meziproduktu popisovaného jako: [Fe(N*)]. Dusík se sorbuje na povrch zrn železa a disociuje tam na atomární formu, která je pochopitelně podstatně reaktivnější než molekula dusíku. Poté je reaktor napuštěn vodíkem a dochází k dalšímu mletí, tím už vzniká konečný produkt – amoniak.

Jde o velice zajímavou možnost využití mechanochemie, výzkumný tým nyní hledá efektivnější katalyzátor a snaží se o nový design reaktoru, který by umožnil kontinuální výrobu amoniaku. Vzhledem k tomu, že Haberova-Boschova metoda je už více než 100 let stará, tak by si určitě zasloužila nahrazení energeticky úspornější technologií.

Odkazy

  1. Violent mechanochemical impacts replace extreme conditions for ammonia synthesis
  2. Mechanochemistry for ammonia synthesis under mild conditions
  3. HABER & BOSCH
  4. Uses and Production of Ammonia by the Haber Process
  5. Electrifying the Haber–Bosch
  6. Haber Process
  7. Hallmarks of mechanochemistry: from nanoparticles to technology

Leave a Reply

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..