Человечество испытывает ненасытный спрос на аммиак: это вещество используется для изготовления удобрений, которые, в свою очередь, применяются в большинстве современных сельскохозяйственных практик. До настоящего времени процесс Габера-Боша был предпочтительным методом извлечения азота из, казалось бы, неисчерпаемой атмосферы и связывания его в форме аммиака. Однако этот метод требует чрезвычайно большого количества метана и энергии.
Профессор Николай Корниенко из Боннского университета обнаружил более экологичную альтернативу производству аммиака из возобновляемых источников энергии. Результаты исследования [опубликованы](https://www.nature.com/articles/s41467-025-62088-z) в Nature Communications.
Как в Эдемском саду, зерно, свёкла и картофель должны прорастать как можно пышнее, чтобы тарелки были хорошо наполнены. Это обеспечивается регулярным удобрением — особенно азотными. Источник питательных веществ, который, кажется, никогда не иссякает. В начале XX века Фриц Габер и Карл Бош разработали процесс, который извлекает азот из, казалось бы, неисчерпаемого воздуха. Это достижение принесло им Нобелевскую премию по химии в 1918 году.
Используя катализатор на основе железа, очень высокое давление и температуру до 500 градусов Цельсия, процесс Габера-Боша связывает азот из воздуха с [водородом](https://phys.org/tags/hydrogen/), производя аммиак. Между тем некоторые растения также овладели искусством связывания атмосферного азота с помощью крошечных бактерий в своих корнях и делают его доступным для своего роста. Однако зелёные растения делают это климатически нейтрально, тогда как люди пока не смогли этого достичь.
«Процесс Габера-Боша чрезвычайно энергозатратен», — говорит профессор доктор Николай Корниенко из Института неорганической химии Боннского университета. Производство аммиака основано преимущественно на ископаемом топливе, что означает, что [выбросы парниковых газов](https://phys.org/tags/greenhouse+gas+emissions/) соответственно высоки.
«Для достижения цели устойчивого и климатически нейтрального общества поиск альтернативных способов синтеза аммиака является приоритетом», — говорит Корниенко, который также является членом междисциплинарной исследовательской области «Материя» в Боннском университете.
Альтернативные методы? Над ними экспериментировали в течение некоторого времени. Цель — заменить синтез аммиака по методу Габера-Боша процессом, использующим возобновляемые источники энергии, такие как солнце и ветер. Требуемый водород тогда больше не поступал бы из метана, а получался бы напрямую в результате электролиза воды (H₂O) на водород (H₂) и кислород (O₂).
Звучит просто? Это не так. Любой, кто хочет производить аммиак в больших масштабах, используя ветер и [солнечную энергию](https://phys.org/tags/solar+power/), должен преодолеть ряд подводных камней на пути химических реакций.
«Реакция восстановления азота с помощью лития (LiNRR) считается наиболее надёжным способом электрификации синтеза аммиака», — говорит Хоссейн Бемана, ведущий автор исследования. В этой системе ионы лития (Li⁺) электрохимически восстанавливаются до слоя металлического лития. Этот металлический литий затем может реагировать с газообразным азотом (N₂) с образованием соединения лития и азота.
Если имеется источник водорода, соединение лития и азота превращается в аммиак (NH₃) и растворенные ионы лития. Затем процесс начинается заново. По крайней мере, так гласит теория.
«В настоящее время мы рассматриваем эту систему как модель, поскольку существует несколько практических трудностей», — говорит Корниенко. Поскольку для восстановления ионов лития до металлического лития требуется высокое напряжение, энергоэффективность ограничена примерно 25%.
Кроме того, система должна работать в среде, свободной от воздуха и воды, поскольку металлический литий обладает высокой реактивностью. Ещё одной проблемой является то, что, подобно батареям, на слое лития растёт пористая твёрдая межфазная плёнка электролита (SEI). Эта плёнка должна пропускать газообразный азот и водород в качестве реагентов к литию.
В идеале водород должен поступать непосредственно в результате расщепления воды. Однако в этой системе в качестве источника водорода обычно используются спирты. В некоторых случаях растворитель также разлагается и затем сам служит источником водорода. «Это делает систему непрактичной, поскольку для производства аммиака приходится жертвовать несколькими молекулами спирта или растворителя», — говорит химик.
Однако исследователи нашли способ извлечь водород непосредственно в результате расщепления воды и передать его азоту. Они использовали фольгу из палладия (Pd) в качестве электрода и мембраны. «Палладий может служить мембраной, поскольку он пропускает атомы водорода», — сообщает Корниенко.
В эксперименте фольга Pd отделяла безводную реакционную среду, в которой протекают реакции LiNRR, от реакционной среды на водной основе. «В конце концов, мы смогли извлечь атомы водорода электрохимически непосредственно из воды и передать их реактивному материалу литий/литий-азот для производства аммиака», — говорит химик.
Исследователи использовали инфракрасную спектроскопию и масс-спектрометрию, чтобы убедиться, что всё работает именно так, как задумано. Они использовали тяжёлый изотоп водорода (дейтерий = D) в качестве источника воды и получили ND₃ вместо NH₃. Бемана и Корниенко уже подали заявку на патент этого процесса.
Для экспериментов по производству аммиака (NH₃) учёные использовали только электричество. Однако предстоит пройти ещё долгий путь, прежде чем можно будет производить желаемые азотные удобрения экономически выгодно из [возобновляемых источников энергии](https://phys.org/tags/renewable+energy+sources/). Для этого учёным придётся добиться выхода в 1000 раз больше, чем в их нынешних экспериментах. «Мы всё ещё на ранних стадиях», — говорит химик. «В целом, необходимо провести исследования скоростей реакций и селективности системы — контроля электронов для достижения желаемой цели».
Предоставлено [Университетом Бонна](https://phys.org/partners/university-of-bonn/)