Az MIT számítógépes módszerrel keres zöldebb ammóniagyártási katalizátorokat

Miért fontos az ammónia előállítása?

Az MIT beszámolója szerint az ammónia a világ egyik legfontosabb vegyipari terméke: az éves előállított mennyiséget tekintve csak a kénsav előzi meg. Legnagyobb részben műtrágya készítésére használják, ami kulcsszerepet játszik a világ népességének élelmezésében.

A jelenlegi gyártásnak ugyanakkor jelentős energia- és klímavonzata van. A forrás szerint az ammóniagyártás a világ energiafogyasztásának legfeljebb 2 százalékáért, az üvegházhatásúgáz-kibocsátásnak pedig körülbelül 1,5 százalékáért felel. A termelés túlnyomó része ma is a több mint egy évszázada használt Haber-Bosch-eljárással történik, amely fosszilis tüzelőanyagokra támaszkodik a szükséges hő biztosításához. Az eljárásban használt hidrogént is nagyrészt fosszilis forrásokból állítják elő.

Constantine Athanitis, az MIT Department of Materials Science and Engineering doktorandusza a közlemény szerint arra hívta fel a figyelmet, hogy a világ jelenleg évente körülbelül 200 millió metrikus tonna ammóniát használ. Szerinte az lenne az ideális, ha ugyanekkora, vagy még nagyobb mennyiséget lehetne előállítani energiahatékonyabban és alacsonyabb CO2-kibocsátással.

Elektrokémiai út, hatékonysági gondokkal

Az ammónia elektromos árammal történő előállítása nem új ötlet. Athanitis leírása szerint az eljárás lényege az elektrokémiai reakció proton-elektron párok és nitrogéngáz között. Hasonló alapelvekre épül, mint az elektrolizátorok működése, amelyek elektromossággal hajtanak végre kémiai reakciókat.

A probléma az MIT szerint az, hogy ez a megközelítés ipari léptékben még nem elég hatékony. A termelési sebességek és a hozamok túl alacsonyak, ezért az eljárás gazdaságilag nem versenyképes a szükséges méretekben. Athanitis megfogalmazása szerint még ha egy technológia kedvezőbb is lenne a világ vagy az éghajlat számára, a vállalatok nem fogják alkalmazni, ha nem költségversenyképes.

A kulcs a katalizátor. Az elektrokémiai folyamatban egy fémes katalizátor felületi tulajdonságai határozzák meg, hogyan megy végbe a reakció. Az MIT által idézett kutató szerint egy olyan katalizátor, amely csökkenti a szükséges energiát és szelektívebben termel ammóniát, áttörést hozhatna. A nagyobb szelektivitás több ammóniát és kevesebb nem kívánt mellékreakciót jelentene.

Gépi tanulással szűkítik a lehetséges anyagok körét

Az MIT kutatói olyan számítási megközelítést dolgoztak ki, amely előre jelezheti, mely anyagok lehetnek ígéretes katalizátorok az elektrokémiai ammóniagyártásban. A nyílt hozzáférésű eredmények augusztus 11-én jelentek meg a Royal Society of Chemistry EES Catalysis című folyóiratában. A tanulmány szerzői Bilge Yildiz, az MIT Nuclear Science and Engineering és Materials Science and Engineering tanszékeinek Breen M. Kerr professzora, valamint Constantine Athanitis és Filip Grajkowski doktoranduszok.

Yildiz a MIT közleményében úgy fogalmazott: „A megközelítésünk azonosítja azokat a kulcsfontosságú fizikai tulajdonságokat, amelyek az ammóniatermelés katalitikus aktivitását meghatározzák.” A cél az, hogy a kutatók ne próbálgatással vizsgálják végig a lehetséges ötvözetek millióit, hanem először megértsék, milyen mikroszkopikus anyagtulajdonságok befolyásolják a nitrogénredukciót.

A vizsgált anyagrendszer a tranzíciósfém-nitridek köre. Yildiz szerint ezek a vegyületek ideálisak a reakcióhoz, valamint annak feltárásához, hogy mely elektronikai, kémiai és szerkezeti tulajdonságok határozzák meg a reaktivitást a nitrogénredukcióban és az ammónia elektroszintézisében. Athanitis szerint ezek azért különösen hatékonyak, mert a katalizátor saját nitrogénje maga is részt vesz a reakcióban.

A kutatók sűrűségfunkcionál-elméletet alkalmaztak, amely kvantummechanikai alapon szimulálja az anyagok tulajdonságait és viselkedését. Ezt gépi tanulással kombinálva próbálták azonosítani a reakció szűk keresztmetszeteit, köztük a nitrogén disszociációját és a hidrogénátvitelt, valamint azokat az ötvözeteket, amelyek ezeken javíthatnak.

Egyelőre elméleti eredmény

A kutatás jelenlegi szakasza tisztán elméleti. Az MIT beszámolója szerint a kutatók számítógépes modellekkel azonosítottak ígéretes ötvözeteket, de ezeket az anyagokat még elő kell állítani és tesztelni kell.

Dane Morgan, a University of Wisconsin mérnökprofesszora, aki nem vett részt a kutatásban, az MIT-nek azt mondta: „Ez a munka segít tisztázni, hogy egy anyag alapvető elektronikai tulajdonságai hogyan kapcsolódnak ahhoz a szerepéhez, amelyet katalizátorként tölt be az ammónia előállításában.” Morgan szerint ez a megértés segítheti az új katalizátorok tervezését, részben jobb minőségi megértéssel, részben a számításos szűrés felgyorsításával.

Ugyanakkor Morgan arra is figyelmeztetett, hogy a számítások gyakorlati katalizátorokká alakítása sok további lépést igényel, ezért az érdemi valós hatás valószínűleg még távolabb van. A következő lépés egy működő reakciócella megépítése lesz, vagyis egy laboratóriumi eszközé, amely a katalizátorral ammóniát állít elő, és valódi működési körülmények között teszteli annak teljesítményét.

Mit jelenthet ez a felhasználóknak és a piacnak?

A kutatás közvetlenül még nem jelent új ipari eljárást vagy piaci terméket. Jelentősége abban áll, hogy gyorsíthatja azoknak az anyagoknak a keresését, amelyekkel az elektrokémiai ammóniagyártás hatékonyabbá és költségversenyképesebbé válhat.

Ez azért lényeges, mert az ammónia iránti igény szorosan kapcsolódik a műtrágyagyártáshoz és az élelmiszer-termeléshez. Ha a kutatók a későbbi laboratóriumi tesztekben is működőképes katalizátorokat találnak, az hosszabb távon hozzájárulhat egy alacsonyabb kibocsátású ammóniagyártási út kialakításához. A forrás alapján azonban ez még kutatási irány, nem pedig kész technológia.