Израильская разработка: электрохимическое производство мочевины из диоксида углерода и нитратов
Исследователи из Ариэльского университета разработали инновационный катализатор на основе меди и серы, позволяющий эффективно производить мочевину из диоксида углерода и нитратов в нормальных условиях.
Мочевина (карбамид) — вещество, широко применяемое в сельском хозяйстве как удобрение и в промышленности как сырье для пластиков. В биологических системах оно вырабатывается при расщеплении белков. Сегодня мочевина занимает важное место в технологиях возобновляемой энергетики, выступая потенциальным источником топлива для топливных элементов и электролизеров.
Традиционный промышленный процесс производства мочевины, основанный на методе Боша-Майзера (с XIX века), требует экстремальных условий: давления до 200 атмосфер и температур около 400 градусов Цельсия. Эта отрасль потребляет 1–3% мирового годового объема энергии и отвечает за 1,4% глобальных выбросов углерода. Для создания экономики замкнутого цикла ученые ищут «зеленые» альтернативы на основе электрокатализа, позволяющие использовать диоксид углерода и нитраты в умеренных условиях.
Использование нитратов предпочтительнее газообразного азота из-за их высокой растворимости в воде и более слабых химических связей (204 кДж/моль против 941 кДж/моль у азота). Кроме того, нитраты являются промышленными загрязнителями воды. Основная сложность электрохимического синтеза заключается в «конкуренции» за электроны со стороны побочной реакции выделения водорода.
Докторант Ланди Дарда и группа исследователей под руководством профессора Алекса Шехтера с кафедры химических наук Ариэльского университета представили решение этой проблемы в журнале Chemical Engineering Journal. Они разработали катализатор со структурой Cu2S/CuS, который эффективно направляет реакцию на соединение атомов углерода и азота (C-N coupling), подавляя выделение водорода.
«Мы предлагаем устойчивый путь производства «зеленой» мочевины, одновременно решая проблему загрязнения нитратами и выбросов диоксида углерода», — поясняет профессор Шехтер. Высокая электроотрицательность серы в структуре катализатора меняет электронные свойства меди, создавая активные центры для адсорбции диоксида углерода и фиксации азота. Этот катализатор является доступной альтернативой дорогостоящим аналогам на основе благородных металлов.
Лабораторные испытания показали исключительную эффективность: 80% электрического тока расходуется непосредственно на синтез мочевины. С помощью изотопной маркировки ученые подтвердили, что азот в конечном продукте происходит именно из исходного сырья. Эта разработка открывает путь к децентрализованному экологически чистому производству удобрений непосредственно на полях.