Новый метод синтеза аммиака увеличивает выход в 5,6 раза с использованием нитрида кремния

Механистическое исследование дефект-индуцированного ускорения в механико-химическом синтезе аммиака. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-60715-3

Ученые разработали новый метод синтеза аммиака, который демонстрирует увеличение выхода в 5,6 раза по сравнению с традиционными углеродоемкими процессами. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Прорывная технология использует нитрид кремния (Si₃N₄), который можно получать из переработанных отходов солнечных панелей. Это открывает путь к преодолению ограничений методов, основанных на ископаемом топливе, и способствует устойчивому управлению ресурсами.

Исследовательская группа под руководством профессора Чон-Бома Бека из Школы энергетики и химической инженерии UNIST добилась повышения эффективности механико-химического синтеза аммиака путем добавления нитрида кремния.

Аммиак играет ключевую роль в мировом сельском хозяйстве, являясь основой для производства удобрений, которые обеспечивают питанием около половины населения Земли. Кроме того, аммиак все чаще рассматривается как перспективный носитель чистого топлива, особенно для хранения и транспортировки водорода, что увеличивает его будущий спрос.

Однако современное производство аммиака основано на столетнем процессе Габера-Боша, требующем температур выше 400°C и давления свыше 200 атмосфер. Эти условия потребляют огромное количество энергии и ответственны за более чем 2% глобальных выбросов углекислого газа.

В качестве устойчивой альтернативы ученые исследуют механико-химический синтез аммиака. Этот процесс предполагает использование стальных шаров в герметичном контейнере для создания столкновений между молекулами азота (N₂) и водорода (H₂) на каталитических поверхностях, что способствует реакциям при значительно более низких температурах и давлениях.

Новый метод не только снижает энергопотребление и выбросы парниковых газов, но и идеально подходит для децентрализованного производства небольших объемов - например, непосредственно на фермах и в местных сообществах, где аммиак наиболее востребован.

В последнем исследовании команда добавила небольшое количество нитрида кремния в процесс, что привело к 5,6-кратному увеличению выхода аммиака по сравнению с традиционными методами. Анализ показал, что нитрид кремния создает высокую плотность дефектов на поверхности железного катализатора, эффективно способствуя диссоциации молекул азота и их последующему гидрированию.

Нитрид кремния известен своей исключительной устойчивостью к ударам, химической коррозии и высокой температуре, что обеспечивает долгосрочную каталитическую производительность. Важно, что его можно производить из переработанного кремния, извлеченного из отработавших солнечных панелей, что соответствует целям устойчивой энергетики и рециклинга ресурсов.

По данным Международного энергетического агентства, к 2050 году в мире ожидается более 49 миллионов тонн отходов солнечных панелей, что подчеркивает важность рециклинга материалов из возобновляемой энергетики.

Профессор Бек отметил: «Эта технология значительно повышает эффективность производства аммиака в условиях низких температур и давления, способствуя децентрализованному производству. Более того, поскольку она использует переработанные отходы солнечных панелей, она решает задачи как декарбонизации, так и циркулярности ресурсов, предлагая комплексное решение для устойчивого производства аммиака».

Дополнительная информация: Jae Seong Lee et al, Mechanochemical ammonia synthesis enhanced by silicon nitride as a defect-inducing physical promoter, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-60715-3

Источник: Ulsan National Institute of Science and Technology