ملخص

في NANOARC، نقوم بتصميم وتصنيع محفزات نانوية لزيادة إنتاج الأمونيا عند درجات حرارة أقل من العمليات التقليدية.

توفر المساحة السطحية الفائقة للعوامل الحفازة النانوية الخاصة بنا مواقع أكثر نشاطًا من الناحية الحفازة، مما يزيد من التفاعلية والكفاءة من خلال السماح بتشغيل العملية في ظروف أقل تطرفًا. على عكس العوامل الحفازة التقليدية، التي غالبًا ما تكون محدودة بدرجات حرارة وضغوط عالية، تعمل العوامل الحفازة النانوية الخاصة بشركة NANOARC بفعالية في ظروف أكثر اعتدالًا وكفاءة من حيث الطاقة.

الآليات الرئيسية لزيادة إنتاج الأمونيا

زيادة مساحة السطح: تتميز المحفزات النانوية بنسبة مساحة سطح إلى حجم عالية جدًا نظرًا لصغر حجمها. وهذا يتيح مزيدًا من التلامس بين المحفز ومتفاعلات النيتروجين والهيدروجين، مما يزيد من معدل التفاعل وكفاءة التحويل.

تحسين التفاعلية والانتقائية: توفر الهندسة السطحية الفريدة والبنية الإلكترونية على النطاق النانوي مواقع محددة وعالية النشاط للتحفيز. وهذا يعزز معدل التفاعل ويقلل من تكوين المنتجات الثانوية غير المرغوب فيها، مما يؤدي إلى زيادة إنتاجية الأمونيا.

انخفاض استهلاك الطاقة: يعمل التخليق الصناعي للأمونيا باستخدام عملية هابر-بوش عند درجة حرارة متوسطة تتراوح بين 400 درجة مئوية و450 درجة مئوية (752 درجة فهرنهايت و842 درجة فهرنهايت). يتم اختيار هذه الدرجة الحرارة بناءً على التوازن بين معدل التفاعل وعائد التوازن، كما هو موضح في مبدأ لو شاتيلييه.  تحدد العوامل المتعارضة التالية درجة الحرارة المثلى لتخليق الأمونيا الصناعي: 

أ) العائد مقابل درجة الحرارة: عملية هابر هي تفاعل طارد للحرارة، مما يعني أنها تطلق حرارة.

𝑁2(𝑔) + 3𝐻2(𝑔) ⇌ 2𝑁𝐻3 (𝑔)

وفقًا لمبدأ لو شاتيلييه، فإن انخفاض درجة الحرارة سيؤدي إلى تحول موضع التوازن إلى اليمين، مما يساعد على إنتاج المزيد من الأمونيا. ومع ذلك، فإن انخفاض درجة الحرارة يؤدي أيضًا إلى إبطاء معدل التفاعل بشكل كبير.

ب) المعدل مقابل درجة الحرارة: تؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى زيادة معدل التفاعل، ولكنها تؤدي أيضًا إلى تحول التوازن إلى اليسار، مما يفضل المواد المتفاعلة (النيتروجين والهيدروجين) ويقلل من إنتاجية الأمونيا.

حلنا

تساعد الكفاءة التحفيزية العالية لمحفزاتنا النانوية على خفض الطاقة اللازمة لتفعيل التفاعل. وهذا يسمح بتشغيل العملية في درجات حرارة وضغوط أقل من عملية هابر-بوش التقليدية، مما يؤدي بدوره إلى خفض استهلاك الطاقة وزيادة إنتاجية الأمونيا، على الرغم من انخفاض درجات حرارة التشغيل.

تثبيت النيتروجين

يتطلب كسر الرابطة الثلاثية لجزيء النيتروجين (N2) (N≡N) حوالي 945 كيلوجول/مول. وهذا ما يجعل تثبيت N2 صعبًا ولهذا السبب يبلغ متوسط طاقة التفاعل لتخليق NH3 950 كيلوجول/مول. وتُعد عملية هابر-بوش، التي تستخدم محفزات قائمة على الحديد، مثالًا رئيسيًا على كيفية كسر هذه الرابطة. وتحدد قدرة العامل الحفاز (النانوي) على نقل الإلكترونات إلى جزيء N2 وإضعاف الرابطة N≡N مدى سهولة كسر الرابطة. وتعتبر عملية تنشيط N2 حاسمة لإنتاج NH3.