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水を加えるだけ – スタンフォード大学の研究者は、アンモニアを作る簡単で環境に優しい方法を発見しました

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アンモニア化学

アンモニアは、化学式 NH の無色の刺激性のガスです。3. これは、窒素循環において重要な役割を果たし、肥料、プラスチック、およびその他の化学物質の生産における構成要素として使用される天然化合物です。 また、保冷剤や洗浄剤としても使用されています。

スタンフォード大学の研究者は、空気中の小さな水滴と窒素を使用して、環境に優しいアンモニアを生成する方法を発見しました。

アンモニア (NH3)が農作物の化学肥料づくりの土台となります。 100 年以上にわたり、大量のアンモニアの世界的な生産は、ハーバー ボッシュ プロセスに依存してきました。 この産業上のブレークスルーは農業に大きな影響を与え、急速に増加する人口に食料を供給することを可能にしました。 ただし、ハーバー ボッシュ プロセスは非常にエネルギー集約型であり、窒素の強い結合を破壊するために 80 ~ 300 気圧の高圧レベルと 572 ~ 1000 F (300 ~ 500 C) の範囲の温度が必要です。 さらに、プロセスに含まれる天然ガスの蒸気処理は、気候変動の主要な原因である二酸化炭素の放出に大きく貢献します。

全体として、1 億 5000 万トンのアンモニアに対する現在の世界的な年間需要を満たすために、ハーバー ボッシュ プロセスは世界のエネルギーの 2% 以上を消費し、大気中に排出される二酸化炭素の約 1% を占めています。

対照的に、スタンフォードの研究者によってデビューした革新的な方法は、それほど専門的な環境を必要としません。

「空気と水だけで、噴霧器のような基本的なものを使用して、穏やかな日常の温度と圧力の環境でアンモニアを生成できることを知って、私たちはショックを受けました」科学とスタンフォード人文科学大学院の化学教授。 「このプロセスをスケールアップできれば、世界で最も重要な化学プロセスの 1 つであるアンモニアを製造する、環境にやさしい新しい方法となるでしょう。」

新しい方法はまた、エネルギーをほとんど使用せず、低コストであるため、価値のある化学物質を持続可能な方法で生産する可能性を秘めています。 スタンフォード大学の化学のポスドク研究者である Xiaowei Song は、この研究の筆頭著者であり、最近、 米国科学アカデミーの議事録.

青空研究からの新化学

発見された新しい化学は、長年見過ごされてきた水の微小液滴の驚くほど高い反応性を調べる、近年のザレの研究室による先駆的な研究の足跡をたどっています。 2019 年の研究で、Zare と同僚は、表面に接触した微小液滴の中で苛性過酸化水素が自然に形成されることを新たに実証しました。 その後の実験により、液体と固体の間で電荷がジャンプし、活性酸素として知られる分子の断片が生成されるメカニズムが明らかになりました。[{” attribute=””>species.

Taking those findings further, Song and Zare began a collaboration with study co-author Basheer Chanbasha, a professor of chemistry at King Fahd University of Petroleum and Minerals in Saudi Arabia. Chanbasha specializes in nanomaterials for energy, petrochemical, and environment applications and came to Stanford as a visiting scholar last summer.

The research team zeroed in on a catalyst – the term for any substance that boosts the rate of a chemical reaction but is not itself degraded or changed by the reaction – that they suspected could help blaze a chemical pathway toward ammonia. The catalyst consists of an iron oxide, called magnetite, and a synthetic membrane invented in the 1960s that is composed of repeating chains of two large molecules.

The researchers applied the catalyst to a Graphite mesh that Song incorporated into a gas-powered sprayer. The sprayer blasted out microdroplets in which pumped water (H2O) and compressed molecular nitrogen (N2) reacted together in the presence of the catalyst. Using a device called a mass spectrometer, Song analyzed the microdroplets’ characteristics and saw the signature of ammonia in the collected data.

Low-tech, low-energy ammonia synthesis

Zare and colleagues were very pleased with this result, especially in light of the relatively low-tech approach. “Our method does not require the application of any electrical voltage or form of radiation,” said Zare.

From a broader chemistry perspective, the method is remarkable in that it uses three phases of matter: nitrogen as gas, water as liquid, and catalyst as solid. “To our knowledge, the idea of using gas, liquid, and solid all at the same time to cause a chemical transformation is a first of its kind and has a huge potential for advancing other chemical transformations,” said Zare.

While promising, the ammonia production method revealed by Zare, Song, and Chanbasha for now is only at the demonstration stage. The researchers plan to explore how to concentrate the produced ammonia as well as gauge how the process could potentially be scaled up to commercially viable levels. While Haber-Bosch is only efficient when pursued at huge facilities, the new ammonia-making method could be portable and done on-site or even on-demand at farms. That, in turn, would slash the greenhouse gas emissions related to the transportation of ammonia from far-off factories.

“With further development, we’re hoping our ammonia generation method could help address the two major looming problems of continuing to feed Earth’s growing population of billions of people, while still mitigating climate change,” said Zare. “We are hopeful and excited to continue this line of research.”

Reference: “Making ammonia from nitrogen and water microdroplets” by Xiaowei Song, Chanbasha Basheer and Richard N. Zare, 10 April 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2301206120

The study was funded in part by the U.S. Air Force Office of Scientific Research through the Multidisciplinary University Research Initiative.





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