スタンフォードの研究者がCO2を排出しないアンモニアを生成する新しい方法を発見

スタンフォード大学のザーレラボのプロジェクトで、科学者のリチャード・ゼア氏、シャオウェイ・ソング氏、チャンバシャ・バシール氏は、世界で最も一般的な肥料の基礎となるアンモニアの製造方法を変える可能性がある、環境に優しい新しい化学プロセスを発見した。 2022 年の世界のアンモニア生産量は約 1 億 5,000 万トンでした。

窒素と水素の無機化合物であるアンモニア (NH3) は、農作物用の化学肥料を作成するための構成要素として機能します。 アンモニアの約 70% は植物の成長を助ける肥料として使用され、残りの 30% は主にプラスチック、爆薬、合成繊維に使用されます。

100 年以上にわたり、アンモニアは窒素を肥料用のアンモニアに変換するハーバー・ボッシュ法によって生成されてきました。 ザレラボ所長でスタンフォード大学のマーガレット・ブレーク・ウィルバー自然科学教授であるリチャード・ゼア氏によると、このプロセスは世界のエネルギーの約2％を使用し、毎年世界の二酸化炭素排出量の1.3％に寄与しているという。

「ハーバー・ボッシュプロセスが化学における最も重要な工業プロセスの一つであることはよく知られています。結局のところ、それは人々が世界に食料を供給するために使用しているものなのです」とザレ氏は語った。 「1800年代の終わりに人々は、私たちが食べられる植物を作るよりも早く人口が増加したため、最終的には私たち全員が飢えるだろうと考えていました。私たちを救ったのは、窒素を摂取してそれを変える方法を学んだフリッツ・ハーバーによる驚くべき開発でした」アンモニアに。」

ザレ氏によると、窒素分子は非常に不活性であり、水素と容易に反応して目的のアンモニアを形成しないため、このプロセスはエネルギーを大量に消費します。 水素原子は供給源から得られる必要があり、ハーバー・ボッシュ プロセスでは蒸気 (H2O) を使用して天然ガス (メタン、CH4) を H2 と CO に変換し、水素原子を取得します。 さらに多くの蒸気を加えると、CO は二酸化炭素 (CO2) に変換され、より多くの水素原子が生成されます。

したがって、このプロセスは温室効果ガスを大量に排出します。 ザレ氏は、世界の産業CO2排出量の7%はアンモニアの生成によるものと推定されていると述べた。

ザレ、ソング、バシールによるアンモニア生成の新しいプロセスでは、水素の供給源はメタンではなく水であるため、二酸化炭素は排出されません。 また、このプロセスには電圧の印加や光源による照射は含まれず、室温および大気圧で行われます。

彼らの発見は、水の微小液滴の高い反応性を調べるザレラボの最近の研究に基づいています。 バルク水は良性で不活性である傾向がありますが、水滴は非常に反応性があります。 Song 氏によると、これらの微小液滴は加湿器からのミストと考えることができます。 「これらは小さな財産です」と彼は言いました。

ザレ氏によると、研究室では水の微小液滴が硬い表面に当たると強力な化学反応を引き起こすことが判明したという。 アンモニアを生成するために、科学者チームは、ガス動力の噴霧器を通して水の微小液滴、窒素ガス、酸化鉄を移動させることによって窒素結合を破壊します。 このプロセスは、硬い表面上で反応する水の微小滴の能力に依存しています。

酸化鉄は反応の触媒として働き、反応によって変化することなく反応を促進します。 研究者らは噴霧器用のグラファイトメッシュに触媒を入れた。 次に噴霧器は微小液滴を放出し、ポンプで汲み上げられた水と窒素が触媒の助けを借りて反応してアンモニア (NH3) を形成します。

ソング氏によれば、研究チームは CO2 を使わずにアンモニアを生成できることがわかったとき、興奮したが、慎重でもあったという。

「期待通りの結果かどうかについては苦悩する必要があり、多くのコントロールが必要でした」とソン氏は語った。

「これが大きな問題となるためには、規模を拡大し、それに伴うすべての手順が経済的に合理的であることを実証する必要がある」とザレ氏は述べた。 「私たちはまだ問題を解決していません。私たちが話しているのはまだ小さな飛沫です。」

ザレ氏は、このプロジェクトを拡大するための次のステップはエンジニアと協力することだと語った。 同氏は、アンモニアを大規模に入手できるまでのスケジュールは5年以内になるはずだが、少なくとも1年はかかるだろうと述べた。 同氏は、ハーバー・ボッシュプロセスが完了するまでに5年かかったとも付け加えた。

スタンフォード大学カーニェロ・グループの化学工学博士研究員エリック・マクシェーン氏は、「これは、大規模に導入すればアンモニア生産の持続可能性を大幅に高めることができる重要な進歩だ」と述べた。 「アンモニア製造の原料として水素の代わりに水を使用すれば、アンモニア製造に必要なエネルギー全体を削減できる可能性があります。」

マクシェーン氏も研究者らの意見に同意し、「課題はプロセスを拡大し、十分に高いアンモニア収率を確保することだ」と述べた。

「もし本当にうまくいけば、それは非常に大きなことだ」とザレ氏は語った。 「それは食料のコストを削減し、気候変動に関して私たちを助けるでしょう。それが本当に実現できれば、それは非常に大きなことです。」

アンナ・マクナルティ '24 は、デイリー紙の気候ライターです。 news 'at' stanforddaily.com で彼女に連絡してください。