Группа международных ученых во главе с Технологическим университетом Наньян в Сингапуре (NTU Singapore) разработала новый более «зеленый» метод получения основного соединения в удобрениях, который может проложить путь к более устойчивой сельскохозяйственной практике по мере роста мирового спроса на продукты питания.

Данный метод, разработанный исследователями NTU, позволяет производить соединение, известное как «мочевина». Оно является натуральным продуктом, содержащимся в моче млекопитающих и важным соединением для удобрений, которые производятся в промышленных масштабах для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

Однако нынешний процесс Габера-Боша, используемый для производства мочевины, является энергоемким, требует температуры в 500 °C и давления, в двести раз превышающего атмосферное. В данном процессе происходят значительные выбросы CO2, на которые ежегодно приходится около 2% мировой энергии.

В поисках более экологичного и энергоэффективного метода команда научных сотрудников нашла способ значительно улучшить существующий альтернативный подход к производству мочевины, известный как электрокатализ — использование электричества для управления химическими реакциями в растворе.

Используя наноматериал гидроксида индия в качестве катализатора, исследователи соединили нитрат с диоксидом углерода и обнаружили, что мочевина, которая образовалась в процессе, стала в пять раз эффективнее, чем мочевина, производимая в предыдущих попытках использования электрокатализа. Повышение эффективности произошло в частности, за счет того, что химическая реакция протекала «высокоселективным» образом.

«Наш метод, по сути, манипулирует процессом химической реакции, чтобы стать «высокоселективным». Выбрав лучший катализатор, мы помогли нитрат-ионам и молекулам диоксида углерода оптимально расположиться так, чтобы облегчить образование мочевины, подавляя при этом образование ненужных побочных продуктов, таких как водород, что приводит к более высокой эффективности и лучшему выходу мочевины», — отметил один из ведущих авторов исследования, профессор из Школы материаловедения и инженерии (MSE) при НТУ, Алекс Ян.

Результаты исследования опубликованы в научном издании Nature Sustainability, а альтернативный метод производства мочевины был запатентован NTU.

По словам представителей исследовательской группы, новый метод производства мочевины может внести вклад в более экологичные методы ведения сельского хозяйства, чтобы прокормить увеличивающееся население мира.

В качестве доказательства концепции ученые проверили эффективность разработанного ими метода в лаборатории и обнаружили, что данный подход позволил достичь выхода 53,4% мочевины. Новый процесс производства является конкурирует с нынешним промышленным методом Габера-Боша, который впервые был продемонстрирован в 1910 году.

Двухступенчатый термический процесс Haber-Bosch зависит от топлива и может происходить только при определенных высоких температурах и условиях высокого давления. Во-первых, азот и водород объединяются в аммиак. Затем диоксид углерода связывается с ним, образуя мочевину. Для сравнения, новый подход NTU более экологичен и прост. В процессе используются нитрат (соединение со связями, для разрыва которых требуется меньше энергии), диоксид углерода и водород, чтобы непосредственно вызвать образование мочевины при комнатной температуре.

По словам представителей исследовательской группы, новый метод достаточно прост, чтобы его можно было применять как в больших, так и в малых масштабах. Фермеры будут легко использовать электрокаталитическое устройство для производства собственной мочевины для удобрений.

«Мы потенциально можем использовать солнечный свет в качестве энергии для процесса электрокатализа в будущем, что позволит серьёзно снизить глобальные выбросы парниковых газов», — заявил первый автор исследования, доктор, научный сотрудник школы MSE при NTU, Лю Чейд.

В качестве следующих шагов исследовательская группа стремится достичь еще более высоких результатов и улучшить каталитическую селективность, исследуя катализаторы, которые запускали бы более быстрые реакции. Они также планируют найти способ привести процесс в действие с использованием солнечной энергии и создать прототип устройства для демонстрации увеличения производства мочевины.

В международную исследовательскую группу входят исследователи из Техасского университета в Остине, Университета науки и технологий Китая и Харбинского технологического института (Китай).

 

*по информации из открытых источников

 

 

Читайте также:

Китайские ученые создали крахмал из воздуха

Отмечается сокращение импорта азотных удобрений

Дорожчають мінеральні добрива: чи стане альтернативою органіка?

В Китае открыли новый безопасный пестицид с эффективностью до 90%

Применение древесного грибка сократило использование удобрений при выращивании томатов