Uus ammoniaagitootmise viis langetab elektri hinda

Leiutatud on uus odav viis, kuidas teha vesinikust ammoniaaki ja ammoniaagist vesinikku ning selle tulemusena ka odavamat elektrit.

Ammoniaagi tootmise odavamaks tegemine ja suurendamine võib langetada vesinikust toodetud elektri hinda. Ammoniaaki, mille valem on NH₃, kasutatakse väetistes ja paljudes tööstusprotsessides. Samuti nähakse seda paljulubava viisina energia salvestamiseks ja transportimiseks, sest ammoniaak on vesinikust ohutum ja lihtsam. Kasutades plasmat – aine neljandat olekut – on teadlased loonud materjali, mis suurendab ammoniaagi tootmist.

„Kui on vaja tööstuslikku vesinikku kasutada mujal kui seal, kus seda toodetakse, on lihtsam ja ohutum transportida vesinikku ammoniaagina ning hoida seda seni, kuni seda tarvis läheb. Ideaalis lagundatakse ammoniaak siis vesinikuks täpselt seal ja siis, kui seda vajatakse,“ ütles Emily Carter, USA Energiaministeeriumi (DOE) Princetoni Plasmafüüsika Labori (PPPL) rakendusmaterjalide ja säästva teaduse direktoradi vanemnõunik ja asedirektor. „Seetõttu on vaja meetodeid, mis sünteesiksid ja lagundaksid ammoniaagi vesinikust ja tagasi tõhusalt ja odavalt – ning PPPL töötab mõlema kallal.“

Praegune ammoniaagi tootmise meetod on kallis

Uurimistöö viidi läbi erinevate asutuste paljude erialade teadlaste rühmade poolt, kuhu kuulusid DOE PPPL, Oak Ridge’i Riiklik Labori, Princetoni Ülikooli, Rutgersi Ülikooli ja Rowani Ülikooli teadlased. Teadusartikkel avaldati hiljuti ajakirjas ACS Energy Letters.

„Praegune ammoniaagi tootmise meetod on kallis,“ ütles Zhiyuan Zhang, Rutgers University-Newarki doktorant ja uuringu juhtiv autor. „Ammoniaagi tootmiseks on vaja suurt tehast ning äärmuslikke temperatuure ja rõhku.“

Vesiniku hoiustamine ja transportimine ammoniaagina

Ammoniaaki saab kasutada vesiniku kandjana, mis tähendab, et nii võib vesinikku hoiustada ja transportida, kuni see energia saamiseks taas vesinikuks muudetakse. Vesiniku tootmiseks ja hoiustamiseks on vaja suuri tehaseid ja rajatisi. Uus meetod võimaldaks ammoniaaki toota palju väiksemates rajatistes, mis paiknevad lähemal kasutuskohtadele — võimalik, et koguni kohapeal. Kui ammoniaaki peaks vedama ka pikemate vahemaaade taha, oleks see ikkagi odavam.

„Vesinikul on väga madal energiatihedus ning selle transportimine on äärmiselt keeruline. Ammoniaagil on kaks korda suurem energiatihedus kui survestatud vesinikul ning seda saab vedada palju hõlpsamini,“ selgitas Yiguang Ju, PPPL-i elektromanufaktuuri teaduse juhtivuurija ja Princetoni Ülikooli professor. „See võib avada energia salvestamise ja transpordi vallas murrangulisi muutusi.“

Kuidas kvantkeemia ja plasmaga ammoniaaki toota

AMSS-i säästva teaduse asenõunik ja teadlane Mark Martirez loob nüüd tehtud katsetest arvutimudeleid, et mõista reaktsioonide toimumist aatomitasandil. „Simulatsioonid on hädavajalikud, et täielikult mõista mehhanismi, mille käigus keemilised ühendid ammoniaaki toodavad,“ ütles Martirez. „Eksperimendi põhjal võis vaid oletada aatomite asukohti.“ Martirezil on haruldane arusaam protsessis osalevast kvantkeemiast, mida tuntakse plasmakatalüüsina ja mis on suhteliselt uus uurimisvaldkond.

Selle asemel, et kasutada kõrget temperatuuri ja rõhku, nagu traditsioonilises soojuskatalüüsis ammoniaagi tootmiseks vesinikust ja lämmastikust, kasutab uus meetod elektrit, vett, lämmastikku ja madalatemperatuurilist plasmat. Madala temperatuuriga plasmas on laenguta molekulid jahedad või toatemperatuuril, kuid elektronid on väga kuumad. Elektronidel on piisavalt energiat, et muuta katalüsaatori pinda, eemaldada teatud aatomeid ja sisestada lämmastiku- või vesinikuaatomeid välimistesse kihtidesse.

Reklaam Stiilsed kanepist jalanõud, seljakotid, arvutitaskud, sokid ja mütsid naistele ja meestele leiad siit!

Reklaam Stiilsed kanepist jalanõud, seljakotid, arvutitaskud, sokid ja mütsid naistele ja meestele leiad siit!

Tootmiseks on vaja katalüsaatorit

Katalüsaator on aine, mis kiirendab keemilisi reaktsioone ise seejuures muutumata. Katsetes kasutatud katalüsaatoril on ainulaadne struktuur, mis võimaldab energiatõhusamaid keemilisi muundumisi. Teadlased nimetavad seda struktuuri heterogeenseks pindkompleksiks (HIC).

„Katalüsaatorid – volframoksiid ja volframoksünitriid – ei ole uued. Uus on nende struktuur ja plasma toel töötav meetod selle valmistamiseks kontrollitaval ja laiendataval viisil,“ selgitas Rutgersi ülikooli professor Huixin He, üks uurimistöö juhtivautoritest.

Katalüsaatori struktuur määrab selle tõhususe

HICi eriline disain aitab luua väga aktiivseid vesinikuaatomeid täpselt sinna, kus neid on vaja, moodustades pisikesi tühimikke ehk lämmastikuvakantse, mis sobivad ideaalselt lämmastikumolekulile. Need omadused töötavad koos: vesinikuaatomid muudavad lämmastiku ammoniaagiks ja vabad kohad tõmbavad õhust juurde uut lämmastikku, et protsess jätkuks. See meetod suurendab oluliselt toodetud ammoniaagi hulka võrreldes vanemate meetoditega. Samuti vähendab see soovimatuid kõrvalreaktsioone, nagu vesiniku gaasi teke ammoniaagi asemel.

„Katalüsaatori tootmise protsess lühenes ligikaudu kahest päevast 15 minutini,“ ütles Zhang. Meetod ületas ka teised sarnased tehnikad ammoniaagi hulga poolest. Teadlased jätkavad HIC-katalüsaatori abil ammoniaagi tootmise täiustamist.