Новый метод производства делает жизненно важный элемент удобрений более экологичным

Мочевина — критически важный элемент, содержащийся во всем: от удобрений до средств по уходу за кожей. Крупномасштабное производство мочевины, которая естественным образом является продуктом человеческой мочи, — это масштабный процесс, на который сегодня приходится около 2% мирового потребления энергии и выбросов.

На протяжении десятилетий ученые и инженеры стремились сделать этот процесс более энергоэффективным, поскольку спрос на удобрения растет вместе с населением. Международная исследовательская группа, включающая ученых и инженеров из Техасского университета в Остине, разработала новый метод производства мочевины, который более экологичен, чем современный процесс, и производит достаточно продукта, чтобы быть конкурентоспособным с энергоемкими промышленными методами.

Современное производство мочевины включает двухэтапный термический процесс, требующий высоких уровней тепла и давления в контролируемых жестких условиях. Но этот новый процесс требует всего одного шага и основан на концепции электрокатализа, которая использует электричество — и потенциально солнечный свет — для запуска химических реакций в растворе при комнатной температуре и в обычных условиях.

«Во всем мире нам нужно сокращать выбросы. Вот почему мы хотим разработать эти более устойчивые пути производства мочевины с использованием электрокатализа вместо этого энергоемкого двухэтапного процесса», — сказал Гуйхуа Ю, доцент материаловедения, который совместно руководил группой, опубликовавшей новую веховую статью о процессе в Nature Sustainability.

Сегодня синтетическая мочевина производится в основном с помощью метода Габера-Боша — одного из величайших изобретений XX века, позволившего массовое производство удобрений и способствовавшего увеличению мировых запасов продовольствия. Он объединяет азот и водород для получения аммиака, который затем связывается с диоксидом углерода с образованием мочевины. Этот двухэтапный процесс требует нагрева до 400 или 500 градусов по Фаренгейту для проведения реакции, потребляя огромное количество энергии и производя значительные выбросы.

Производство мочевины с помощью электрокатализа — это альтернативный, более устойчивый и энергоэффективный процесс. Однако исторически этот метод не производил достаточно продукта, чтобы быть жизнеспособным. Он создавал слишком много побочных продуктов и требовал много энергии для разрыва связей молекулярных строительных блоков, чтобы запустить реакцию.

Основной задачей был поиск правильных элементов или катализаторов для создания эффективной химической реакции. Команда UT использовала нитрат вместо обычного азота для связи с диоксидом углерода. Катализаторный раствор состоит из наноматериалов гидроксида индия.

Этот высокоэффективный наноматериальный электрокатализатор обладает «высокой селективностью», сказал Ю, то есть производит только то, что хотят исследователи, а не кучу побочных продуктов. И он создает более высокий выход мочевины, чем предыдущие попытки с использованием электрокатализа.

«На разрыв связей нитрата требуется гораздо меньше энергии по сравнению с азотом, и это помогает получить гораздо более высокий выход мочевины», — сказал Ю.

Ю видит эту формулу применимой как для крупномасштабного, так и для мелкомасштабного использования. Электрокаталитические устройства могли бы управляться отдельными лицами и продаваться отдельным фермам, чтобы они могли производить собственную мочевину для почвы. И есть надежда, что это предоставит альтернативные решения для крупномасштабных промышленных процессов, чтобы сократить потребление энергии, что может сыграть роль в более устойчивом будущем, поскольку население и спрос на мочевину будут неуклонно расти.

Следующие шаги в этом процессе включают дальнейшее улучшение выхода и селективности, а также создание прототипа устройства, способного масштабировать производство. Исследовательская группа также пытается найти способ питания процесса с использованием солнечной энергии вместо прямого электричества.