Revoluce v hnojivech: Modely z MIT odhalují klíčové katalyzátory pro ekologickou výrobu amoniaku

Amoniak je jednou z nejdůležitějších chemikálií na světě, hned po kyselině sírové. Většinou se používá k výrobě hnojiv, která jsou nezbytná pro výživu světové populace. Jeho produkce však spotřebovává až 2 % celosvětové energie a přibližně 1,5 % emisí skleníkových plynů.

Amoniak je jednou z nejdůležitějších chemikálií na světě, hned po kyselině sírové. Většinou se používá k výrobě hnojiv, která jsou nezbytná pro výživu světové populace. Jeho produkce však spotřebovává až 2 % celosvětové energie a přibližně 1,5 % emisí skleníkových plynů. Proto probíhá intenzivní hledání způsobů, jak vyrábět amoniak udržitelněji.

Tradiční způsob výroby amoniaku, známý jako Haber-Boschův proces, se používá více než sto let a spoléhá na fosilní paliva pro zajištění potřebného tepla. Vodík používaný v tomto procesu se také z velké části vyrábí z fosilních paliv. Existuje sice i jiná metoda, která využívá elektrochemii namísto tepla a tlaku, ale ta zatím není ekonomicky konkurenceschopná v potřebném měřítku.

Vědci z MIT nyní vyvinuli metodu, která dokáže předpovědět, které materiály by mohly být nejslibnějšími katalyzátory při elektrochemické výrobě amoniaku. Katalyzátory pomáhají řídit chemické reakce a jejich vlastnosti určují, jak efektivně tyto reakce probíhají. Namísto zdlouhavého testování každé možné kombinace z milionů slitin metodou pokusu a omylu, což by trvalo roky, nový přístup může výrazně urychlit hledání materiálů, které by tuto nízkoemisní metodu učinily konkurenceschopnou vůči Haber-Boschovu procesu.

„Náš přístup identifikuje klíčové fyzikální vlastnosti, které řídí katalytickou aktivitu při výrobě amoniaku,“ říká Bilge Yildiz, profesorka z kateder jaderné vědy a inženýrství a materiálové vědy a inženýrství. Výsledky mohou vést k hledání nových a účinnějších katalytických sloučenin. Tato zjištění byla publikována 11. srpna v časopise Royal Society of Chemistry EES Catalysis v práci Yildizové a doktorandů Constantina Athanitise a Filipa Grajkowského.

S rostoucí světovou populací bude potřeba stále více potravin a hnojiva jsou klíčová pro udržení tak velkého počtu lidí, vysvětluje Athanitis. Více než 90 % amoniaku potřebného pro hnojiva se stále vyrábí energeticky náročným Haber-Boschovým procesem, který je „hyperoptimalizován od svého vzniku před více než stoletím,“ dodává. „Pokud chceme dodržet cíle společnosti v oblasti udržitelnosti, energetiky a změny klimatu, musíme skutečně přijít s jinou alternativou.“ Svět v současnosti spotřebuje asi 200 milionů metrických tun amoniaku ročně, takže ideální je najít způsob, jak vyrobit stejné nebo i větší množství amoniaku, ale energeticky účinněji a s nižšími emisemi CO2.

Použití elektřiny k výrobě amoniaku není nová myšlenka. Jde o elektrochemickou reakci mezi proton-elektronovými páry a plynným dusíkem, a tyto technologie již existují. Přístup využívá stejné základní principy jako elektrolyzéry, které využívají elektřinu k řízení chemických reakcí v zařízeních. I když proces funguje, není dostatečně účinný pro průmyslovou výrobu. „Produkční rychlosti a výtěžky jsou stále příliš nízké,“ říká Athanitis. „I když by technologie mohla být lepší pro svět nebo pro klima, společnosti a kapitalismus ji nepřijmou, pokud nebude nákladově konkurenceschopná.“