Аммиак образовался при комнатной температуре из азота и мелких капель воды

Химики из США и Саудовской Аравии показали, что аммиак может образовываться из воды и азота при распылении воды в виде микрокапель на поверхность гетерогенного катализатора. Реакция образования аммиака идет при давлении азота в 80 бар и комнатной температуре, пишут авторы статьи в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Аммиак – это газ, состоящий из молекул NH₃, в которых атом азота связан с тремя атомами водорода. Каждый год химическая промышленность производит около 180 миллионов тонн аммиака – а затем превращает его в удобрения и другие соединения азота. 

Производят аммиак с помощью процесса Габера — Боша. Он основан на реакции азота N₂ с водородом H₂ в присутствии катализатора при давлении в несколько сотен атмосфер и высокой температуре. А водород для этой реакции получают риформингом метана, в результате которого образуется около 1 процента от всего выделяемого в атмосферу углекислого газа. И хотя вся эта цепочка превращений очень энергозатратная и неудобная, подходящих альтернатив химики пока не нашли.

Но недавно ученые под руководством Ричарда Заре (Richard N. Zare) из Стэнфордского университета обнаружили процесс, в котором аммиак образуется из азота и воды без нагревания и в отсутствие водорода. Сначала они приготовили гетерогенный катализатор, соятоящий из оксида железа Fe₃O₄, нанесенного на углеродную губку и фтор-содержащий полимер (Nafion). А затем на поверхность катализатора распылили воду в виде микрокапель с помощью азота под давлением 80 бар. 

Установка для синтеза была устроена так, что после прохождения через катализатор реакционная смесь попала в масс-спектрометр. А в полученных масс-спектрах химики обнаружили пик, отвечающий гидратированному иону аммония. Так они выяснили, что в реакции образовался аммиак.

Далее ученые приготовили несколько стандартных растворов аммиака и с помощью них построили калибровочную кривую для определения концентрации ионов аммония в образующемся растворе. Химики провели расчеты и показали, что в их установке аммиак образуется со скоростью 33 наномоля в секунду на один квадратный сантиметр поверхности катализатора. А концентрация аммиака в каплях воды составляет около 62 микромолей на литр.

Так ученые показали, что микрокапли воды в присутствии катализатора могут ускорять реакцию азота с водой. Как считают авторы статьи, это связано с тем, что в микрокаплях на границе раздела фаз вода-воздух реакции одноэлектронного переноса идут быстрее, чем в обычном растворе. 

Ранее мы рассказывали о том, как химики изучали влияние примеси кислорода на электролитический синтез аммиака из азота.