در مفهوم آمونیاک سبز، هیدروژن از الکترولیز آب با نور خورشید ، بادی یا دیگر منابع تجدیدپذیر به دست می‌آید و انرژی موردنیاز واحد سنتز نیز از منابع کم‌کربن تأمین می‌شود. بااین‌حال، جایگزینی هیدروژن فسیلی با هیدروژن سبز، به‌تنهایی برای کاهش هزینه و مصرف انرژی کافی نیست. مرحله تعیین‌کننده، توسعه کاتالیست‌هایی است که بتوانند واکنش تولید آمونیاک را در دما و فشار پایین‌تر و با سرعت مناسب پیش ببرند. همان‌طور که در شکل ۱ مشاهده می‌شود، سنتز سبز آمونیاک مجموعه‌ای از منابع نیتروژنی، مسیرهای تبدیل انرژی و سامانه‌های کاتالیستی را دربرمی‌گیرد. روش‌های الـکتـروکـاتـالـیـسـتـی، فوتوالکتروکاتالیستی می‌توانند با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، گونه‌های مختلف نیتروژن را در شرایط ملایم‌تر به آمونیاک تبدیل کنند [۱و۲].
چرا فعال‌سازی نیتروژن دشوار است؟
بزرگ‌ترین مانع در سنتز آمونیاک، پایداری بسیار زیاد مولکول نیتروژن است. انرژی پیوند سه‌گانه N≡N حدود ۹۴۱ کیلوژول بر مول است و نیتروژن در محیط‌های آبی نیز حلالیت کمی دارد. در کاتالیز حرارتی، جذب و شکستن پیوند نیتروژن اغلب یکی از کندترین مراحل واکنش است. در سامانه‌های الکتروشیمیایی نیز واکنش جانبی تولید هیدروژن می‌تواند الکترون‌ها و پروتون‌ها را پیش از تبدیل نیتروژن مصرف کند [۱و۴].
کاتالیست‌های ناهمگن با فراهم‌کردن سایت‌های فعال سطحی، جذب نیتروژن و انتقال الکترون به اوربیتال‌های ضدپیوندی آن را تسهیل می‌کنند. پس از فعال‌شدن نیتروژن، هیدروژناسیون مرحله‌ای روی سطح کاتالیست انجام می‌شود و حدواسط‌های NH*،NH₂* و در نهایت NH₃ تشکیل می‌شوند. بنابراین، عملکرد کاتالیست به تعداد سایت‌های فعال، ساختار الکترونی، اندازه ذره‌ها، نقص‌های بلوری و برهم‌کنش میان فاز فعال و پایه وابسته است.
نسل جدید کاتالیست‌های ناهمگن
کاتالیست‌های آهنی همچنان اساس فرایند صنعتی هابر–بوش هستند، اما روتنیم و کبالت نیز به‌دلیل توانایی مناسب در فعال‌سازی نیتروژن مورد توجه قرار گرفته‌اند. تثبیت این فلزات روی پایه‌های بازی، هیدریدها، نیتریدها و الکترایدها می‌تواند چگالی الکترونی فلز را افزایش دهد و شکستن پیوند نیتروژن را آسان‌تر کند. برخی از این مواد در دماهای حدود ۲۵۰ تا ۳۰۰ درجه سلسیوس نیز فعالیت قابل‌توجهی نشان داده‌اند؛ هرچند هزینه روتنیم و پایداری بلندمدت پایه‌ها همچنان از محدودیت‌های اصلی است [۱].
پروسکایت‌ها با ساختار عمومی ABO₃ از امیدبخش‌ترین خانواده‌های کاتالیستی هستند. جایگزینی عناصر در موقعیت‌های A و B، امکان تنظیم رسانایی، خواص اکسایش–کاهش، غلظت جای‌خالی‌های اکسیژن و قدرت جذب گونه‌های نیتروژنی را فراهم می‌کند. برای مثال، در پروسکایت اکسی‌نیترید–هیدرید BaCeO₃-xNᵧHᶻ، یون‌های نیترید و هیدرید شبکه مستقیماً در تشکیل آمونیاک مشارکت می‌کنند. این مسیر که به سازوکار مارس–ون‌کرولن شباهت دارد، می‌تواند انرژی فعال‌سازی را در مقایسه با مسیر متداول سطحی کاهش دهد [۲].در کنار پروسکایت‌ها، مواد کم‌بعد شامل نانوذره‌های صفر‌بعدی، نانومیله‌ها و نانوسیم‌های یک‌بعدی و نانوصفحات دوبعدی نیز اهمیت یافته‌اند. سطح ویژه زیاد، تعداد بالای اتم‌های لبه‌ای و قابلیت مهندسی ساختار الکترونی، این مواد را برای فرایندهای فوتوکاتالیستی و الکتروکاتالیستی مناسب می‌کند. ایجاد نقص‌های کنترل‌شده، دوپینگ و ساخت هتروساختارها می‌تواند جدایش بار، انتقال الکترون و جذب انتخابی نیتروژن یا نیترات را بهبود دهد[۳].
031-33333333
مقالهنشریه
سنتز سبز آمونیاک با کاتالیست‌های ناهمگن؛ از فعال‌سازی نیتروژن تا تولید پایدار
۲۸ شهریور ۱۴۰۵
مقالات و نشریات
مقاله
بازرسی نفت و گاز؛از اکتشاف تا ایمنی پایدار
بازرسی در صنعت نفت و گاز، یکی از ارکان اساسی تضمین ایمنی، کیفیت و بهره‌وری در زنجیره تولید انرژی است. در شرایطی که موضوع ناترازی انرژی به یکی از دغدغه‌های اصلی کشورها تبدیل شده، نمی‌توان از اهمیت نظارت دقیق در این صنعت راهبردی چشم‌پوشی کرد. بازرسی‌های تخصصی از مرحله اکتشاف تا توزیع نهایی، نقشی حیاتی در جلوگیری از نشت، انفجار، آسیب‌های زیست‌محیطی، خرابی تجهیزات و اتلاف منابع دارند.
ادامه مطلب
مقاله
Techno-Economic and Environmental Assessment of a Hybrid Bioenergy System Optimized via NSGA-II: Biomass Pyrolysis, Fischer–Tropsch Synthesis, and Solar-Enhanced Power Generation
1. Introduction Growing concerns over climate change and the depletion of fossil resources have intensified interest in renewable, low-carbon pathways for producing liquid fuels and electricity. Biomass gasification coupled with Fischer–Tropsch (FT) synthesis is among the most promising routes for converting a widely available renewable feedstock into synthetic diesel-range hydrocarbons, yet conventional biomass-to-fuel systems still suffer from limited exergy efficiency, high production costs, and considerable CO2 emissions. Prior studies have generally examined isolated subsystems gasification, FT synthesis, power cycles, or carbon capture without a fully integrated, simultaneously optimized framework.
ادامه مطلب
مقاله
هـیـدروژن، جـایـگـزیـن سـوخـت‌هـای فـسـیـلی بـا کـمـک پـروسـکـایـت‌هـای دوگـانـه
رشد جمعیت، توسعه صنایع و پیشرفت فناوری موجب افزایش مستمر تقاضا برای انرژی در سراسر جهان شده‌است. در حال حاضر، بخش عمده این تقاضا همچنان از طریق سوخت‌های فسیلی مانند نفت، زغال‌سنگ و گاز طبیعی تأمین می‌شود. با این وجود، محدود بودن ذخایر این منابع و افزایش هزینه‌های استخراج و بهره‌برداری از آن‌ها، ضرورت حرکت به سمت منابع جایگزین و پایدار انرژی را بیش از گذشته آشکار ساخته‌است. ازاین‌رو، انرژی‌های تجدیدپذیر به‌دلیل دسترس‌پذیری، پایداری و سازگاری بیشتر با محیط‌زیست، به یکی از ارکان اصلی سیاست‌های انرژی در بسیاری از کشورها تبدیل شده‌اند و سهم آن‌ها در تأمین انرژی جهانی به‌طور پیوسته در حال افزایش است.
ادامه مطلب