Азотный цикл является краеугольным камнем глобальных экосистем и человеческой деятельности, однако его неправильное управление приводит к обострению экологических и социальных проблем. В частности, чрезмерный сток нитратов и нитритов из сельскохозяйственных и промышленных сточных вод привел к эвтрофикации и токсичному цветению водорослей. Кроме того, выбросы закиси азота, побочного продукта промышленной фиксации азота, также оказывают значительное влияние на изменение климата, имея потенциал глобального потепления примерно в 300 раз больше, чем у углекислого газа. Между тем, богатые азотом соединения, такие как гидроксиламин, аммиак и мочевина незаменимы для удобрений, накопителей энергии и промышленных химикатов.
В этом контексте электрохимическое восстановление азота стало перспективной стратегией восстановления нарушенного азотного цикла путем «превращения отходов в сокровища» в условиях окружающей среды, особенно при использовании возобновляемых «зеленых» источников электроэнергии. Этот подход предлагает устойчивый путь преобразования азотсодержащих загрязняющих веществ в продукты с добавленной стоимостью. В сочетании с восстановлением подходящих источников углерода (например, CO2, CO, кетонов или кетокислот) он дополнительно способствует образованию связей C─N, тем самым расширяя спектр производимых ценных химических веществ, таких как амиды, амины, аминокислоты и оксимы.
Исследователи из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга (JGU) в сотрудничестве с коллегами из Харбинского технологического института в Шэньчжэне опубликовали работу, посвященную импульсному электролизу, в которой рассматривают как перспективы, так и проблематику технологии.
В очень кратком изложении импульсный электролиз против традиционного метода производства азотных удобрений Габера-Боша выглядит просто.
«Традиционно аммиак производят по процессу Габера-Боша, что требует высоких температур (от 400 до 500 градусов Цельсия) и давления, соответственно, это энергоемкая технология. С другой стороны, импульсный электролиз дает возможность получать аммиак и даже мочевину в условиях комнатной температуры, используя электричество, оптимально – солнечную и ветровую энергию. Два электрода погружают в воду, содержащую нитраты или нитриты. При подаче электрического напряжения эти азотсодержащие соединения могут восстанавливаться до аммиака. В отличие от обычного электролиза, импульсный изменяет напряжение и ток. Это повышает эффективность реакции, а также может естественным образом адаптироваться к непостоянным возобновляемым источникам энергии», пояснил доктор Дандан Гао, химик из JGU.
Конечно, на самом деле все гораздо сложнее и говорить, что уже завтра импульсный электролиз заменить процесс Габера-Боша в производстве азотных удобрений нельзя. Несмотря на обнадеживающие успехи в импульсном электрохимическом восстановлении видов азота, перевод в крупномасштабное применение требует более глубокого понимания механизмов.
Более того, высокие требования к энергии, деградация катализатора и сложность процесса являются основными драйверами затрат. Импульсный режим работы представляет дополнительные проблемы в подаче энергии и управлении системой, которые могут увеличить капитальные и эксплуатационные расходы, если не будут решены с помощью интегрированных и модульных конструкций. В этом контексте срочно необходимы стандартизированные метрики, которые учитывают переменные входные и импульсные параметры. С точки зрения применения текущие демонстрации достигают производительности и срока службы, которые остаются намного ниже промышленных эталонных показателей.
Хотя эта область исследований всё ещё находится в зачаточном состоянии, интеграция оптимизации параметров импульсов на основе данных с передовыми экспериментальными и теоретическими подходами обладает значительным потенциалом для выявления фундаментальных взаимосвязей между структурой и активностью в динамических условиях.
В перспективе, пусть и очень отдаленной, ученые планируют создать гибридные солнечно-ветровые импульсные реакторы: интеграция импульсного электролиза с прерывистыми источниками возобновляемой энергии (например, солнечной, ветровой) открывает многообещающий путь к устойчивому преобразованию азота. Изменчивая природа возобновляемой электроэнергии дополняет динамическую работу импульсных систем, обеспечивая адаптивную балансировку нагрузки и улучшенное использование энергии. Достижения в области силовой электроники и интеллектуальных систем управления могут дополнительно оптимизировать профили импульсов в режиме реального времени для соответствия условиям энергоснабжения. Более того, децентрализованные электролизеры на возобновляемых источниках энергии могут обеспечить локализованное производство азотсодержащих химикатов в условиях автономных сетей или в сельском хозяйстве. Однако обеспечение стабильности и производительности системы при колеблющихся входных данных пока остается ключевым приоритетом исследований.
Источники: Johannes Gutenberg University Mainz; Angewandte Chemie International Edition (2025), DOI: 10.1002/anie.202516909
На графике - иллюстрация перспектив существующих и развивающихся направлений импульсного электролиза. Источник: Angewandte Chemie International Edition (2025), DOI: 10.1002/anie.202516909
