มีหลายวิธีในการผลิตแอมโมเนีย แต่กระบวนการของ Haber-Bosch ยังคงเป็นที่แพร่หลายมากที่สุด โดยคิดเป็นประมาณ 90% ของการผลิตทั้งหมด ไม่ว่าในกรณีใด Haber-Bosch และกระบวนการอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตในระดับอุตสาหกรรมนั้นต้องการอุณหภูมิสูง (มากกว่า 400 °C) และแรงดันสูง (มากกว่า 150 บาร์) เงื่อนไขเหล่านี้จำเป็นในการทำลายพันธะที่แข็งแกร่งในไนโตรเจนและทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนเพื่อสร้างแอมโมเนีย (NH 3 )

กระบวนการเหล่านี้ซึ่งกินเนื้อที่ประมาณ 1% ของการใช้พลังงานทั่วโลก ส่วนใหญ่เป็นเชื้อเพลิงฟอสซิล ดังนั้น แอมโมเนียจึงเป็นปฏิกิริยาทางเคมีที่ใช้ก๊าซเรือนกระจกมากที่สุดในโลก โดยคิดเป็นประมาณ 1,5% ของการปล่อยCO 2ทั่วโลก นอกจากนี้ ความต้องการแอมโมเนียคาดว่าจะเพิ่มขึ้นในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า สาเหตุหลักมาจากการใช้แอมโมเนียในปุ๋ยสังเคราะห์ที่จำเป็นในการเลี้ยงประชากรโลกที่เพิ่มขึ้น

"ความท้าทายหลักประการหนึ่งเกี่ยวกับสภาพภูมิอากาศ พลังงานและอาหารคือการผลิตแอมโมเนีย ปัจจุบันผลิตแอมโมเนียในโรงงานที่ใหญ่ที่สุดในโลกบางแห่ง วิธีเดียวในการผลิตแอมโมเนียที่มีประสิทธิภาพจริงๆ คือต้องอยู่ภายใต้อุณหภูมิสูง และแรงดันสูงและใช้วัตถุดิบที่เป็นคาร์บอน” ศาสตราจารย์ Tejs Vegge จาก DTU Energy และ VILLUM Center for the Science for Sustainable Fuels and Chemicals (V-Sustain) กล่าว เขาเป็นผู้นำการวิจัยร่วมกับศาสตราจารย์ Ping Chen จากสถาบัน Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), Chinese Academy of Sciences

Tejs Vegge กล่าวว่า "ธรรมชาติสามารถสร้างแอมโมเนียได้ที่ความดันบรรยากาศและอุณหภูมิในเอนไซม์ เช่น ไนโตรเจน อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ช้ามากและเป็นไปไม่ได้ที่จะขยายไปสู่การผลิตภาคอุตสาหกรรม"

ตัวเปลี่ยนเกมที่มีศักยภาพ

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักวิทยาศาสตร์ได้ทำงานอย่างหนักเพื่อค้นหาวิธีการผลิตแอมโมเนียแบบใหม่และยั่งยืนมากขึ้น ร่วมกับทีมจาก DICP Tejs Vegge และเพื่อนร่วมงานของเขาจาก DTU ดร. Jaysree Pan และรองศาสตราจารย์ Heine A. Hansen ได้แนะนำตัวเปลี่ยนเกมที่มีศักยภาพด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะไฮไดรด์ชนิดใหม่ที่ซับซ้อนซึ่งทำให้พวกเขาไปถึงระดับอ่อนที่อยากได้ สภาพการสังเคราะห์แอมโมเนีย พวกเขาเชื่อว่าวิธีการของพวกเขาสามารถปูทางสำหรับวิธีการผลิตแอมโมเนียแบบใหม่และยั่งยืนมากขึ้น กระดาษของพวกเขาถูกตีพิมพ์ใน Nature Catalysis

กระบวนการดังกล่าวช่วยให้สามารถสังเคราะห์แอมโมเนียได้ที่อุณหภูมิต่ำถึง 300 องศาเซลเซียส และที่ความดันต่ำถึง 1 บาร์ การประยุกต์ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้ในทางปฏิบัติแสดงให้เห็นถึงสัญญาเกี่ยวกับการผลิตแอมโมเนียขนาดเล็กจากพลังงานหมุนเวียน ระบบดังกล่าวมักต้องการตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานภายใต้แรงดันประมาณ 50 บาร์และอุณหภูมิต่ำกว่า 400 องศาเซลเซียส

"เราเชื่อว่างานวิจัยของเราโดดเด่นตรงที่ตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทใหม่นี้จริง ๆ แล้วอยู่ที่ไหนสักแห่งระหว่างกระบวนการทางชีววิทยาและทางอุตสาหกรรม มันมีบางอย่างจากกระบวนการของมนุษย์ที่ประดิษฐ์ขึ้น - การเร่งปฏิกิริยาต่างกัน - และบางอย่างจากสิ่งที่เกิดขึ้นในเอนไซม์และเป็นเนื้อเดียวกัน เร่งปฏิกิริยา มันเป็นวิธีใหม่ในการทำแอมโมเนียและเรากำลังใช้สิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองโลกทำให้เราสามารถลดอุณหภูมิและความดันได้อย่างมาก "

ไม่มีบันทึกเท็จ

โดยทั่วไป ตัวเร่งปฏิกิริยาไฮไดรด์โลหะเชิงซ้อนประเภททางเลือกของพวกมัน (Li 4 RuH 6และ Ba 2 RuH 6 ) สามารถเร่งการก่อตัวแอมโมเนียจากไฮโดรเจน (H 2 ) และไนโตรเจน (N 2 ) การลดลงของไนโตรเจนเกิดขึ้นได้จากสารเชิงซ้อนของรูทีเนียมไฮไดรด์หลายตัว [RuH 6 ] 4-ซึ่งอุดมไปด้วยอิเล็กตรอนและไฮโดรเจน ไฮโดรเจนขนส่งอิเล็กตรอนและโปรตอนระหว่างจุดศูนย์กลางกับไนโตรเจน ในเวลาเดียวกัน โลหะอัลคาไลน์ลิเธียมหรือแบเรียม (Li/Ba) ทำให้ตัวกลางของปฏิกิริยามีเสถียรภาพ อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้มีไดนามิกสูง หลายส่วนของคอมเพล็กซ์ยังทำหน้าที่อื่น ๆ การคำนวณเพียงอย่างเดียวใช้เวลาหลายปีกว่าจะเสร็จสมบูรณ์

"ทุกสิ่งทุกอย่างแตกต่างจากที่เราเคยเห็นมาก่อน ตัวอย่างเช่น แม้ว่ารูทีเนียมเป็นส่วนประกอบที่รู้จักกันดีในการเร่งปฏิกิริยาของแอมโมเนีย แต่ก็มีอยู่ในรูปแบบที่แตกต่างกันและมีพฤติกรรมต่างกัน มันถูกล้อมรอบด้วยอะตอมของไฮโดรเจนและก่อตัวเป็นสารประกอบไฮไดรด์ ปล่อยให้มันถ่ายเทไฮโดรเจนในรูปแบบใหม่คุณสามารถนึกภาพตัวเร่งปฏิกิริยานี้เป็นวงซิมโฟนีออร์เคสตราซึ่งทุกส่วนต้องทำงานร่วมกันเพื่อให้มันทำงาน ส่วนที่น่าสนใจคือมันใช้งานได้ - ไม่มีบันทึกเท็จ” กล่าว เทจส์ เวจจ์.

"ตัวเร่งปฏิกิริยาแอมโมเนียอาจเป็นระบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีการศึกษาดีที่สุดในโลก การค้นพบกลไกใหม่อย่างแท้จริงที่เปิดประตูสู่โลกใหม่เป็นที่น่าพอใจอย่างมากในฐานะนักวิทยาศาสตร์ อย่างไรก็ตาม มันอาจจะเปิดโอกาสใหม่ๆ สำหรับการผลิตแอมโมเนีย ใช้พลังงานน้อยกว่าโรงงานขนาดใหญ่ในปัจจุบันจำเป็นต้องสร้างผลกำไร ตัวเร่งปฏิกิริยาหรือแนวคิดที่คล้ายคลึงกันของเราอาจทำให้สามารถผลิตได้ในโรงงานขนาดเล็กที่มีการกระจายอำนาจ นอกจากนี้ การขนส่งยังลดค่าขนส่งอีกด้วย และการปล่อยCO 2 ของแอมโมเนียในปัจจุบัน"