„Náš přístup identifikuje klíčové fyzikální vlastnosti, které pohánějí katalytickou aktivitu při výrobě čpavku,“ shrnuje podstatu nové práce Bilge Yildiz, profesorka na katedrách jaderné vědy a inženýrství a materiálové vědy a inženýrství (DMSE) na americké MIT. Její tým vyvinul výpočetní metodu, která má pomoci předpovědět, které materiály by mohly být nejslibnějšími katalyzátory pro elektrochemickou výrobu čpavku — tedy pro variantu k dnes dominantnímu, energeticky náročnému postupu založenému na fosilních palivech. Studie vyšla 11. srpna v otevřeném režimu v časopise EES Catalysis vydávaném Royal Society of Chemistry.
- Vědci z MIT vyvinuli výpočetní metodu pro rychlejší hledání katalyzátorů elektrochemické výroby čpavku.
- Výroba čpavku spotřebuje až 2 % světové energie a stojí za zhruba 1,5 % emisí skleníkových plynů.
- Studie byla publikována 11. srpna v časopise EES Catalysis.
Čpavek patří k nejdůležitějším chemikáliím na světě — podle objemu roční produkce jej předčí jen kyselina sírová. Používá se především k výrobě hnojiv, bez nichž by nebylo možné uživit současnou populaci. „Budeme potřebovat čím dál víc potravin a jediný důvod, proč dokážeme uživit tolik lidí, jsou hnojiva,“ říká doktorand Constantine Athanitis z DMSE, spoluautor práce.
Stoletý proces, který se hyper-optimalizoval, ale spoléhá na fosilní paliva
Drtivou většinu čpavku dnes dodává takzvaný Haberův–Boschův proces, používaný více než sto let. Ten k reakci potřebuje teplo z fosilních paliv a i vodík do něj vstupující se z velké části vyrábí z fosilních zdrojů. Právě proto výroba čpavku spotřebuje až 2 % světové energie a odpovídá zhruba 1,5 % emisí skleníkových plynů.
„Haberův–Boschův proces se hyper-optimalizoval od chvíle, kdy před více než stoletím vznikl,“ popisuje Athanitis a dodává, že tímto způsobem se stále vyrábí více než 90 % čpavku pro hnojiva. Svět podle něj ročně spotřebuje kolem 200 milionů metrických tun čpavku. „Pokud se chceme držet cílů společnosti v oblasti udržitelnosti, energetiky a klimatu, opravdu musíme přijít s jinou alternativou,“ říká. Cílem podle něj je vyrobit stejné, nebo i větší množství čpavku, ale energeticky úsporněji a s nižšími emisemi CO2.
Elektrochemie funguje, ale zatím není dost výkonná
Alternativou je právě elektrochemie, která místo tepla a tlaku využívá elektřinu. „Je to v podstatě jen elektrochemická reakce mezi páry proton–elektron a plynným dusíkem. A tyto technologie existují,“ vysvětluje Athanitis. Princip je podobný elektrolyzérům, které elektřinou pohánějí chemické reakce.
Problémem není, že by metoda nefungovala — problémem je její efektivita. „Rychlosti výroby a výtěžky jsou stále příliš nízké,“ konstatuje Athanitis.
„I když je nějaká technologie lepší pro svět nebo pro klima, firmy a kapitalismus ji v podstatě nedovolí, dokud není cenově konkurenceschopná,“ dodává. Elektrochemická cesta zatím zdaleka není ekonomicky srovnatelná s Haberovým–Boschovým procesem v potřebných objemech.
Klíčem je katalyzátor — a jeho hledání bývalo hlavně metodou pokus–omyl
Zásadní roli v elektrochemickém procesu hraje kovový katalyzátor, jehož vlastnosti řídí reakci probíhající na jeho povrchu. „Pokud se nám nějak podaří najít katalyzátor, který sníží potřebnou energii a je selektivnější pro výrobu čpavku, v podstatě trefíme jackpot,“ říká Athanitis. Selektivnější katalyzátor by produkoval více čpavku a omezil nežádoucí vedlejší reakce.
Historicky přitom výzkum materiálů probíhal převážně metodou pokus–omyl: vezme se existující materiál a nějak se „vyladí“, vedeno vědeckou a chemickou intuicí. Otestovat postupně miliony možných slitin ale může trvat roky.
Výpočty místo náhodného zkoušení milionů slitin
Zde nastupují výpočetní nástroje. Metoda zvaná teorie funkcionálu hustoty (density functional theory) využívá kvantovou mechaniku k simulaci vlastností a chování materiálů, takže vědci mohou předpovědět, jak si různá atomová uspořádání povedou, ještě než je vyrobí v laboratoři. „Nejprve jsme posoudili, jaké mikroskopické vlastnosti materiálů je činí vhodnými pro redukci dusíku,“ popisuje Yildiz.
Jako slibný systém tým označuje nitridy kovů. „Sloučeniny nitridů kovů tvoří ideální materiálový systém pro tuto reakci a pro identifikaci elektronických, chemických a strukturních vlastností, které určují reaktivitu při redukci dusíku a elektrosyntéze čpavku,“ uvádí Yildiz.
Podle Athanitise jsou nitridy přechodných kovů obzvlášť účinné proto, že „dusík vlastní samotnému katalyzátoru se stává součástí reakce“. Vzniká tak řada chemických kroků, kdy jeden krok dodává část energie potřebné pro další, což snižuje množství potřebné vstupní energie. To pomáhá řešit jedno z hlavních úzkých míst reakce — vysokou energii nutnou k rozbití silných vazeb v molekulách dusíku.
Přínos metody spočívá v tom, že místo náhodného prohledávání všech kombinací slitin dokáže cíleně nasměrovat hledání nových a účinnějších katalyzátorových sloučenin. Pro výrobce hnojiv i pro klimatické cíle by to v případě úspěchu znamenalo reálnější šanci, že se nízkoemisní elektrochemická výroba čpavku jednou vyrovná zavedenému procesu.
Myslíte si, že se elektrochemická výroba čpavku dokáže cenově vyrovnat stoletému Haberovu–Boschovu procesu? Podělte se o svůj názor v komentářích.
