Επιμέλεια: Στέλιος Βασιλούδης
Μια ομάδα στην Κίνα σχεδίασε έναν καταλύτη που μπορεί να μετατρέψει τη ρύπανση από νιτρικά άλατα (γεωργικά και βιομηχανικά λύματα) σε αμμωνία – τη χημική ραχοκοκαλιά των λιπασμάτων ουρίας – με σχεδόν τριπλάσια απόδοση από τους συμβατικούς καταλύτες.
Η μελέτη που περιγράφει λεπτομερώς αυτή την πρόοδο δημοσιεύθηκε στις 18 Μαρτίου στο Journal of the American Chemical Society, όπου παρουσιάστηκε στο εξώφυλλο. Έχει ανοίξει τον δρόμο για μια τεχνολογία χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης, η οποία θα μπορούσε να ενισχύσει την αλυσίδα εφοδιασμού λιπασμάτων της Κίνας.
Η καινοτομία επικεντρώνεται σε καταλύτες διπλού ατόμου ή DAC. Σε αντίθεση με τους μονοατομικούς καταλύτες, οι DAC διαθέτουν δύο γειτονικά άτομα μετάλλου ικανά να συνεργάζονται για να οδηγήσουν σε πολύπλοκες, πολυβάθμιες αντιδράσεις, όπως η μετατροπή των νιτρικών σε αμμωνία ή ο μετασχηματισμός του διοξειδίου του άνθρακα. Όμως η κατασκευή τους ήταν από καιρό μια επίπονη διαδικασία δοκιμής και λάθους, με ελάχιστη θεωρητική καθοδήγηση, χαμηλά μεταλλικά φορτία και με την έλλειψη ενός εύκολου τρόπου για να χωρέσουν διαφορετικά ζεύγη μετάλλων.
Η Han Lili και οι συνάδελφοί της στο Ινστιτούτο Έρευνας για τη Δομή της Ύλης της Fujian, στην Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, βασίστηκαν στη βαθιά μάθηση (deep learning) για να εκπαιδεύσουν ένα μοντέλο τεχνητής νοημοσύνης ώστε να εντοπίζει ζεύγη μετάλλων με υψηλά ποσοστά ζευγαρώματος – αυτά που κλειδώνουν εύκολα μεταξύ τους. Δημιούργησαν 14 καταλύτες διπλού ατόμου με ακριβή μηχανική, με συστατικά από μια παλέτα σπάνιων γαιών, όπως ύττριο, σκάνδιο, λανθάνιο, δημήτριο, σαμάριο, ευρώπιο, έρβιο και υττέρβιο. Τα μεταλλικά φορτία του καταλύτη έφτασαν σε ένα πρωτοφανές ποσοστό 12,8 έως 30,7% κατά βάρος, ένα υπερτετραπλάσιο άλμα σε σχέση με το προηγούμενο σημείο αναφοράς.
Η εικόνα εξωφύλλου του Journal of the American Chemical Society, βασισμένη στην εργασία τους, απεικόνιζε την αρχιτεκτονική ως άτομα μετάλλου διατεταγμένα γύρω από ένα κέντρο, σαν πλανήτες που περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο στο ηλιακό σύστημα.
Όταν η ομάδα χρησιμοποίησε αυτούς τους καταλύτες για την ηλεκτρόλυση νερού φορτωμένου με νιτρικά άλατα, η αφθονία των ενεργών μεταλλικών θέσεων αύξησε την απόδοση αμμωνίας σε 2,7 φορές πάνω από το επίπεδο που παρέχουν οι συνηθισμένοι καταλύτες.
Τα περιβαλλοντικά και οικονομικά διακυβεύματα είναι σαφή. Τα νιτρικά άλατα που διαρρέουν από τα χωράφια και τα εργοστάσια αποτελούν μια διαβόητη αιτία για την άνθηση των φυκιών και τις νεκρές ζώνες στις υδάτινες οδούς. Η ηλεκτροχημική αναγωγή μπορεί να αποτοξινώσει αυτά τα νιτρικά άλατα σε θερμοκρασία δωματίου, μετατρέποντάς τα σε αμμωνία. Αυτή η αμμωνία, με τη σειρά της, είναι το κρίσιμο ενδιάμεσο για την ουρία, το κυρίαρχο αζωτούχο λίπασμα στον κόσμο. Σχεδόν όλη η ουρία σήμερα παρασκευάζεται με τη διαδικασία Bosch-Meiser, η οποία συνδυάζει αμμωνία με διοξείδιο του άνθρακα – μια οδό παραγωγής που λειτουργεί σχεδόν αποκλειστικά με φυσικό αέριο.
Αυτή η στενή εξάρτηση από το φυσικό αέριο έχει πρόσφατα κλονίσει τις παγκόσμιες αγορές λιπασμάτων. Μεγάλο μέρος του παγκόσμιου εμπορίου ουρίας προέρχεται από τη Μέση Ανατολή, όπου το Στενό του Ορμούζ αποτελεί σημείο συμφόρησης. Ο αποκλεισμός του περιορίζει την προμήθεια φυσικού αερίου και ουρίας, με αποτέλεσμα την άνοδο των τιμών, μια τάση που αντικατοπτρίζεται στον πόλεμο του Ιράν.
Σύμφωνα με το κινεζικό κρατικό ραδιοτηλεοπτικό δίκτυο CCTV, η Ινδία – ο δεύτερος μεγαλύτερος αγοραστής ουρίας στον κόσμο – αναγκάστηκε τον Απρίλιο να αγοράσει 2,5 εκατομμύρια τόνους ουρίας σε σχεδόν διπλάσια τιμή από αυτήν που είχε πληρώσει μόλις δύο μήνες νωρίτερα.
Αντιθέτως, η Κίνα έχει διατηρήσει σταθερή την εγχώρια παραγωγή λιπασμάτων βασιζόμενη σε μια μέθοδο που βασίζεται στον άνθρακα: ο άνθρακας, ο ατμός και το άζωτο αντιδρούν σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση για να παράγουν αμμωνία και διοξείδιο του άνθρακα, τα οποία στη συνέχεια συνδυάζονται σε ουρία. Ωστόσο, είτε η αρχική ύλη είναι άνθρακας είτε φυσικό αέριο, η διαδικασία παραγωγής αμμωνίας παραμένει εξαιρετικά ενεργοβόρα.
Ένας φθηνός και αποτελεσματικός τρόπος συλλογής αμμωνίας από τα νιτρικά απόβλητα δεν θα αντικαθιστούσε τα μεγάλα εργοστάσια εν μία νυκτί, αλλά θα μπορούσε να παρέχει μια πολύτιμη τεχνολογία εφεδρείας που θα καθιστούσε την ασφάλεια των λιπασμάτων της Κίνας ακόμη πιο ανθεκτική.
Ένας καταλύτης που μετατρέπει τα οργανικά απόβλητα σε φυτική τροφή προσφέρει περισσότερα από μια έξυπνη χημεία – υπόσχεται μια ασπίδα προστασίας έναντι του επόμενου σοκ εφοδιασμού.
Πηγή: South China Morning Post