Компютърен модел насочва търсенето на по-зелен начин за производство на амоняк

Нощ на учените 2026 · онлайн

Дигитални ресурси

Всички ресурси
Броеве за четене онлайнСпецброеве за изкуствения интелект и за атома, брой 200 на „Българска наука“ и вестник „Homo Sciens“.Разгледай броевете 17 нови филма за български учениОт Стамен Григоров и бактерията на киселото мляко до генетика Дончо Костов.Гледай видеата 30 години „Мария Склодовска-Кюри“ на една картаВсички проекти по програмата от 1996 до 2026 г. – и кой с кого работи.Отвори картата Архив от минали НощиФилми, лекции и броеве от Нощите на учените 2019–2023.Към архива

 

Амонякът рядко присъства в ежедневните разговори, но без него съвременното земеделие трудно би изхранило милиардите хора на планетата. По-голямата част от произведения амоняк се използва за торове. Цената на тази важна молекула обаче е висока: традиционният процес „Хабер–Бош“ изисква висока температура и налягане, а водородът за него обикновено идва от изкопаеми горива. Според Масачузетския технологичен институт производството на амоняк поглъща до 2% от световната енергия и е свързано с около 1,5% от емисиите на парникови газове.

Екип от Масачузетския технологичен институт предлага начин да се ускори търсенето на по-добри катализатори за електрохимично производство на амоняк. Вместо милиони възможни сплави да се изработват и изпитват една по една, изследователите търсят физичните свойства, които предсказват дали даден материал ще подпомага желаната реакция. Резултатите са публикувани с отворен достъп в EES Catalysis на Кралското химическо дружество.

При процеса „Хабер–Бош“ азотът от въздуха и водородът се съединяват до амоняк. Методът е усъвършенстван повече от век и работи надеждно в огромни промишлени инсталации, но е енергоемък. Електрохимичната алтернатива използва електричество, за да свърже азота с протони и електрони. Ако електричеството е нисковъглеродно, подходът има потенциал да намали емисиите и да работи в по-малки, по-гъвкави съоръжения.

Проблемът е, че днешните електрохимични системи произвеждат амоняк твърде бавно и с недостатъчна ефективност за индустриалните мащаби. Азотната молекула N₂ е изключително стабилна: двата атома са свързани с тройна връзка, която се разкъсва трудно. Освен това по повърхността на катализатора могат да протичат конкурентни реакции — например да се образува водород вместо амоняк. Добрият катализатор трябва едновременно да намалява необходимата енергия и да насочва реакцията към правилния продукт.

Изследователите се съсредоточили върху нитриди на преходни метали. Това са съединения, в които азотът вече е част от кристалната структура на катализатора. При така наречения механизъм на Марс–ван Кревелен решетъчният азот може да участва в реакцията, след което освободеното място да бъде запълнено с нов азот от въздуха. Подредбата на последователните стъпки може да намали част от енергийната преграда пред превръщането.

За да разберат кои нитриди са обещаващи, учените използвали теорията на функционала на плътността — квантовомеханичен метод за изчисляване на електронната структура на материалите. След това с помощта на машинно обучение потърсили връзки между микроскопичните свойства и каталитичната активност. Ключов ориентир се оказва взаимодействието между електронните състояния на азота и така наречената d-зона на метала. Казано по-просто, начинът, по който електроните на азота и метала се „смесват“, влияе върху това колко лесно катализаторът отдава и възстановява азот по време на реакцията.

Този подход не посочва един-единствен магически материал, а по-скоро създава карта: показва кои електронни, химични и структурни характеристики трябва да се настройват и кои сплави заслужават първо да бъдат синтезирани. Това може да спести години проби и грешки, защото скъпите лабораторни тестове се насочват към по-малък и по-смислен набор кандидати.

Предложените материали все още не са произведени и изпитани в работеща електрохимична клетка. Реалният катализатор трябва не само да е активен в компютърна симулация, но и да остава стабилен, да бъде селективен към амоняка, да работи при практични токови плътности и да може да се произвежда на приемлива цена. Преминаването от квантови изчисления към промишлена инсталация включва много допълнителни стъпки.

Следващата цел на екипа е да изгради лабораторна реакционна клетка и да провери прогнозите при реални условия. Тъкмо там ще стане ясно дали установените зависимости действително водят до по-висок добив и по-нисък разход на енергия.
Изследването предлага по-добър компас за търсенето на алтернатива. При световно потребление от около 200 милиона тона амоняк годишно дори постепенно подобрение би имало голямо значение за енергетиката, земеделието и климата. Но най-важната проверка тепърва предстои — компютърно избраните катализатори трябва да докажат възможностите си в лабораторията.

 

Източници

Живейте по-добре с наука!

  • Развийте критично мислене и изградете защита срещу дезинформация.

  • Придобийте ключови умения за по-добър живот с нашите курсове във формат текст, видео и аудио.

  • Открийте новостите и иновациите в медицината.

  • Само 3 минути дневно са достатъчни, за да трансформирате живота си!

  • Всеки месец ви очаква нов брой с увлекателни статии по биология, космос, технологии, история, медицина и много други.

Изживейте науката навсякъде и по всяко време, като я четете на най-удобното за вас устройство.

 
Годишен абонамент
ВИЖ ПОВЕЧЕ
  • Безкрайно знание - списание, видеа, аудио, книги и т.н.
  • Достъп от всякъде
  • Социална мрежа за знание с хора като вас.

Създадохме платформа, която предлага курсове и ръководства, насочени към решаването на житейски предизвикателства чрез научно обосновани методи. Тя не само подпомага личностното развитие, но и предоставя ценни знания за водене на по-здравословен, успешен и пълноценен живот. Благодарение на научния подход, потребителите ще имат възможност да подобрят своето благосъстояние и да постигнат по-високо качество на живот.

БГ Наука
Powered by  GDPR Cookie Compliance (opens in a new tab)
Правила на поверителност

Използваме „бисквитки“, за да персонализираме съдържанието и рекламите, да предоставяме функции на социални медии и да анализираме трафика си. Също така споделяме информация за начина, по който използвате сайта ни, с партньорските си социални медии, рекламните си партньори и партньори за анализ.

Можете да коригирате всички настройки на „бисквитките“, като отворите разделите вляво.