كيف تحول الكهرباء النيتروجين إلى أمونيا؟

يحاول إنتاج الأمونيا كهروكيميائيا صنعها من النيتروجين ومصدر للهيدروجين والكهرباء داخل محلل كهربائي. وتكمن جاذبية الفكرة في إمكان استخدام كهرباء متجددة وبناء معدات قد تصبح أصغر من مصانع الأمونيا التقليدية.

لماذا يقاوم النيتروجين التفاعل

يتكون غاز النيتروجين من ذرتين تربطهما رابطة ثلاثية شديدة القوة. ويعد إضعاف هذه الرابطة أو كسرها المشكلة الأساسية. تستخدم مصانع هابر بوش التقليدية حرارة وضغطا مرتفعين ومحفزات، بينما تستخدم الأنظمة الكهروكيميائية جهدا كهربائيا لدفع تفاعلات عند قطبين يفصل بينهما إلكتروليت.

ما الذي يحدث عند القطبين

يجب أن يستقبل النيتروجين عند المهبط إلكترونات وأنواعا كيميائية حاملة للهيدروجين في تسلسل مضبوط حتى تتكون الأمونيا. ويحدث عند المصعد تفاعل آخر يمد الدائرة بالإلكترونات، وغالبا ما يكون أكسدة الماء أو الهيدروجين. تنتقل الأيونات عبر الإلكتروليت بينما تتحرك الإلكترونات في الدائرة الخارجية.

يضيف اختزال النيتروجين بوساطة الليثيوم خطوة وسيطة. تتفاعل أنواع الليثيوم أولا مع النيتروجين لتكوين مركبات نيتروجينية أكثر نشاطا، ثم تضاف إليها البروتونات لإطلاق الأمونيا. وقد يحقق المسار معدلات إنتاج مفيدة، لكن تكوين فلز الليثيوم يحتاج عادة إلى جهد سالب بشدة ويستهلك طاقة كبيرة.

كيف تغير السبيكة الجهد

يوفر المهبط المكوّن للسبيكة موضعا آخر لليثيوم. فبدلا من ترسبه في طبقة فلزية منفصلة، يدخل الليثيوم في مادة مضيفة مثل الغاليوم. وإذا تكونت السبيكة عند جهد أفضل مع استمرارها في تنشيط النيتروجين، فقد يحتاج المهبط إلى قوة دفع كهربائية أقل.

يغير القطب المكوّن للسبيكة المسار الطاقي للوصول إلى الليثيوم النشط، لكنه لا يلغي الليثيوم ولا يضمن كفاءة العملية المتكاملة.

كيف تقاس الكفاءة

تقيس الكفاءة الفارادية حصة الشحنة الكهربائية التي تنتج الأمونيا بدلا من الهيدروجين أو نواتج جانبية أخرى. ويقيس معدل الإنتاج سرعة تكوين الأمونيا. أما كفاءة الطاقة فتقارن الطاقة الكيميائية المفيدة المخزنة في الأمونيا بالكهرباء الداخلة. ويحتاج النظام إلى أداء قوي في المقاييس الثلاثة، إلى جانب الاستقرار والمواد العملية وسهولة فصل الأمونيا.

ما المطلوب قبل الاستخدام

يجب دمج المهبط الواعد في محلل كهربائي كامل يشمل توصيل الغاز وإدارة الإلكتروليت وفصل المنتج وضوابط السلامة. ثم يلزم اختبار مساحات أقطاب أكبر وفترات تشغيل طويلة وتغيرات في القدرة والشوائب. كما تؤثر تكلفة المعدات والصيانة واسترجاع الليثيوم والمذيبات ومصدر الهيدروجين في تحديد ما إذا كانت الأمونيا النهائية منخفضة الكربون وتنافسية تجاريا.