Résztvevő kutatók:

Az antropogén eredetű klímaváltozás hosszútávú hatásai elleni küzdelem fontos része a nagy CO₂ kibocsátó iparágak zöldítési törekvései. A „zöld” acél, ammónia és cementipar ebben kiemelt szerepet fog játszani, tekintve, hogy előbbiek a legnagyobb CO₂ kibocsátó iparágak közé tartoznak. További megoldandó környezetvédelmi problémát jelent, hogy a mesterséges nitrogénfixálás (műtrágyák) elterjedésével, valamint az ipari szennyvizekkel kibocsátott nitrátok által a környezet antropogén nitrátterhelése jelentősen megnőtt.

A vizes fázisban oldott nitrát elektrokémiai redukció során azonban kevésbé veszélyes spécieszekké, sőt, ipari nyersanyagként is hasznosítható ammóniává alakítható. Ez az elektrokémiai nitrátredukció (NO₃RR), amely az energia- és nyersanyagintenzív Haber-Bosch ammóniaszintézis fenntartható alternatívája lehet. A NO3RR további pozitív környezetvédelmi hozadéka a N₂O-kibocsátás csökkentése. Utóbbi gáz felel a sztratoszférikus ózonbontás jelentős részéért, miközben globális felmelegedési potenciálja közel 300x magasabb, mint a CO₂-é (GWP ≈ 270). A N2O fő forrása a nitrát enzimkatalizált átalakítása a talajban (NO₃− → N₂O és NH₃), ezért a nitrátterhelés csökkentése az atmoszferikus N₂O koncentráció csökkenését is magával vonja.

Az ammónia ugyanakkor szénmentes energiavektor is egyben, és a fenntartható szintézisen túl a felhasználó oldali technológiák fejlődésével (ammónia tüzelőanyag-elemek, ammóniaoxidációs reakció (AOR) stb.) zárt, szénmentes energiarendszer valósítható meg (NH₃ economy). Ez tehát az elektrokémiai CO₂ redukcióhoz hasonlóan környezetvédelmi hatásán túlmenően a fenntartható energiatermelés/vegyipar kialakulásához is hozzájárul. További lehetőség elemi nitrogén közvetlen előállítása nitrátból. Az NO₃RR során ugyanis egy sor különböző oxidációs állapotú spéciesz képződhet, azonban a katalizátor szelektivitását nitrogénre hangolva elkerülhető a reaktív termékek előállítása. Ez bár nem eredményez tovább hasznosítható ipari nyersanyagot, az utóbbit felhasználó technológiai lépések (salétromsav-, ammóniumnitrát-gyártás stb.) hiányában is érvényesül a pozitív környezetvédelmi hatás.

Az elektrokémiai nitrátredukciót eddig legfőképpen kisméretű háromelektródos elektrokémiai cellában (H-cell) valósították meg, ám az ipari felhasználás irányába tett következő lépés (Technology Readiness Level, TRL) a folyamatos, áramlásos cellában végbemenő reakcióvezetés. Ez a fejlesztési folyamat szépen követhető a korábbi elektrokatalitikus módszerek esetében (tüzelőanyag-elemek, víz- és CO₂ elektrolizáló cellák), azonban jelenleg csak elvétve találni áramlásos cellában, folyamatos betáplálással hajtott NO₃RR-t. Az elkövetkező években ugyanakkor robbanásszerű fejlődést várunk ezen a területen, és a projekt során kialakítandó újfajta mérési elrendezések (áramlásos cellák, on-line ammónia-meghatározás stb.) a NO₃RR módszerét az ipari megvalósítás irányába mozdítják el.

További információ:
HUN-REN-SZTE Reakciókinetikai és Felületkémiai Kutatócsoport
Szegedi Tudományegyetem, Alkalmazott és Környezeti Kémiai Tanszék