Bröd kallas ofta för livets personal, men den märkningen kan appliceras mer exakt på kväve, elementet som jordbakterier plockar ur atmosfären och kemiskt förändrar för att stimulera tillväxten av växter, som i slutändan ger näring åt boskap och människor också.

Idag finns en stor industri för att producera och leverera kvävebaserat gödningsmedel till gårdar, som gynnas av högre grödor, men tyvärr, till en viss miljökostnad, eftersom överflödig kemisk avrinning ofta rinner ut i floder och kustvägar.

Nu leder Stanford-forskare ett flerårigt försök att producera denna vitala tillväxtförstärkare på ett hållbart sätt, genom att uppfinna en soldriven kemiteknik som kan göra detta gödningsmedel direkt på gården och applicera det direkt på grödor, droppbevattningsstil.

"Vårt team utvecklar en gödselproduktionsprocess som kan föda världen på ett miljömässigt hållbart sätt, säger kemiingenjör Jens Norskov, chef för SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, ett partnerskap mellan forskare från Stanford Engineering och SLAC National Accelerator Laboratory.

Detta åttaåriga SUNCAT-projekt stöds av ett bidrag på 7 miljoner dollar från Villum Foundation, en internationell vetenskaplig och miljöfilantropi. Den hållbara kväveinsatsen är en del av ett bredare, 20 miljoner dollar Villum-stödt initiativ för att samla Stanford-forskare tillsammans med danska forskare för att utveckla hållbar teknik för att producera inte bara gödningsmedel, men bränslen och andra viktiga industrikemikalier.

"En röd tråd i dessa projekt är behovet av att identifiera katalysatorer som kan främja kemiska processer som drivs av solljus, istället för att förlita sig på de fossila bränslen som nu vanligtvis används som energikällor och, ofta, som råmaterial för reaktioner, säger Norskov, professor i kemiteknik och fotonvetenskap vid Stanford.

Katalysatorer - föreningar som stimulerar reaktioner utan att konsumeras - har använts i industriell skala i mer än ett sekel. Dagens gödningsmedel härrör vanligen från petrokemikalier genom en energikrävande process som förlitar sig på katalysatorer för att påskynda reaktioner som uppstår under höga tryck och temperaturer. Utveckla en lågenergi, solbaserad process för att tillverka kvävegödsel kan gynna miljarder människor, särskilt de i utvecklingsländerna. Men för att komma dit måste SUNCAT -forskare slå igenom i katalysvetenskapen.

"Vi känner till inga konstgjorda katalysatorer som kan göra vad vi behöver, "Säger Norskov." Vi måste designa dem. "

Kväve och liv

Kväve vävs bokstavligen in i livets tyg. Genom kemiska kombinationer med kol, väte och syre, kväve hjälper till att bilda aminosyror, som själva är byggstenarna för proteiner, den mångsidiga familjen av molekyler som är avgörande för varje levande varelse. Vi kan tacka markbakterier för att göra kväve användbart. Med tiden utvecklade mikroorganismer ett biokemiskt ekosystem för att extrahera kväve från atmosfären och kombinera det med väte från vatten för att bilda föreningar som ammoniak som kan absorberas av växter, främja deras tillväxt och kanalisera denna atmosfäriska gas till näringskedjan.

Vi vet inte när bönderna först upptäckte fördelarna med befruktning men praktiken är gammal. Moderna studier av marken kring neolitiska bosättningar tyder på att, redan 6, För 000 år sedan, bönder försökte öka avkastningen genom att gödsla grödor med animaliskt avfall-nu känt för att innehålla kväverik urea (ammoniak plus kol). Andra traditionella gödslingsmetoder har inkluderat odling av grödor som klöver och alfalfa som är bra på att fixera användbart kväve i jorden, eller helt enkelt låta åkrar ligga brakande för att låta markbakterier fylla på naturens utbud. Över tid, när befolkningen växte och flyttade till städer, industrier uppstod för att förse bönder med kvävebaserat gödselmedel. Ibland innebar detta att skicka fartyg för att skopa fågelguanofyndigheter från avlägsna öar, eller gruvkemikalier som natriumnitrat eller ammoniumsulfat som kan förädlas till tillsatser av växttillväxt.

Vid 1900 -talets första decennium, dock, befolkningstillväxten hotade att överskatta sådana metoder. Det var vid denna avgörande tidpunkt som den tyska kemisten Fritz Haber, arbetar med kemikalieingenjör Carl Bosch, upptäckte hur man massproducerar ammoniak i gigantiska kärl med naturgas, som var processens utgångspunkt eller råvara. Under extremt tryck och värme, kemiska katalysatorer kan spricka naturgasmolekyler, frigör väteatomerna och förenar dem med kväve från luft för att bilda NH3, eller syntetisk ammoniak som lätt kan absorberas av växter. Haber-Bosch-tekniken har hyllats som en av 1900-talets nyckelfynd.

"Vi matar världen bokstavligen på gödselmedel som härrör från Haber-Bosch-processen, Säger Norskov.

Skala och miljöpåverkan

Tom Jaramillo, biträdande direktör för SUNCAT Center och medlem i kvävesyntesprojektet, sätta årlig gödselproduktion i perspektiv.

"Varje år producerar vi mer än 20 kilo ammoniak per person för varje person på planeten, och det mesta av den ammoniaken används för gödningsmedel, "säger Jaramillo, docent i kemiteknik och fotonvetenskap vid Stanford.

Men denna massiva gödselproduktion har flera kostnader, börjar med produktionen. På grund av värmen och trycket som krävs av Haber-Bosch-processen, ammoniakkatalys står för cirka 1% av all global energianvändning. Dessutom, mellan 3% och 5% av världens naturgas används som råvara för att tillhandahålla väte för ammoniaksyntes.

Sedan kommer miljökostnaderna. Dagens gödningsmedel massproduceras i centraliserade växter, levereras till gårdar och administreras med mekaniserade spridare. Regn- och bevattningsvatten kan tvätta överflödigt gödselmedel i vattendrag, floder och kustvägar. Ansamlingar av gödselavrinning kan stimulera hypertillväxten av vattenburna växter, skapa en negativ miljöspiral där växterna kan kväva marint liv för att skapa "döda zoner" i floder, sjöar och saltvattenvikar.

SUNCAT -forskare strävar efter att ge fördelarna med befruktning utan några av dessa kostnader. Tanken är att ersätta den centraliserade, fossilbränslebaserad Haber-Bosch-process med ett distribuerat nätverk av ammoniak-on-demand-produktionsmoduler kör förnybar energi. Dessa moduler skulle använda solenergi för att dra kväve från atmosfären och även för att katalysera splittringen av vattenmolekyler för att få väte och syre. De katalytiska processerna skulle sedan förena en kväveatom till tre väteatomer för att producera ammoniak, med syre som avfallsprodukt.

"Vi kommer att utnyttja solenergi i närvaro av korrekt utformade katalysatorer för att skapa ammoniak direkt på jordbruksfälten, "Norskov säger." Se det som en droppbevattningsmetod för att syntetisera ammoniak, där det tränger in i grödornas rötter. "

Denna insats kommer eftersom uppmärksamheten riktas mot det industrialiserade jordbrukets stora beroende av fossila bränslen och de många miljömässiga konsekvenserna av detta beroende.

"You won't need tremendous quantities of fossil fuels as an ammonia feedstock, or to drive the trucks that deliver the fertilizers or the tractors that apply it, " Norskov says. "And you won't have a problem with excess application and fertilizer runoff, because virtually all the fertilizer that is produced will be consumed completely by the crops."

Such a process would have a global payoff. In the developed economies with mechanized agriculture, solar-based nitrogen catalysis would deliver fertilizers with dramatically lower environmental costs. In regions like sub-Saharan Africa, where depleted soils have stymied efforts at sustainable agriculture and reforestation, a solar-based fertilization technology could help subsistence farmers boost crop yields and alleviate hunger.

Next-generation catalysis

Developing a solar-powered technology to produce nitrogen-based fertilizers is an enormous challenge that begins with designing the necessary catalysts.

"It is remarkable how much economic and industrial activity depends on catalysis and how little this is appreciated, " Norskov says.

Catalysts are chemistry's multitaskers:They must target specific molecules, break certain chemical bonds and, ofta, create new bonds to remake from the atomic jumble whatever end molecule is desired. It is understandably rare to find a chemical agent that can perform all this breaking and making without becoming exhausted – in this case a technical reference to the fact that a catalyst must carry out these chemical reactions without changing the atomic structure that enabled it to perform its multitasking magic in the first place.

"While the catalyst must bind strongly enough to the target molecule to do the work required, it also has to release the end product, " says Stacey Bent, a professor of chemical engineering at Stanford and key member of the SUNCAT team. "We have to design catalysts that can make and break bonds with atomic precision, and we have to ensure these materials can be mass produced at the necessary scales and price points, and are durable and simple to use in the fields."

This is especially true in the case of the fertilizer-production process envisioned here, Jaramillo explains, because of the complexity of the process.

"We have to design a series of reactions to cleave the nitrogen molecule from air, separate the hydrogen from water and combine them to form ammonia, with the only input energy coming from solar power, " Jaramillo says, lägga till, "We're really just at the beginning."

Computation, visualization, experimenterande

The close working relationship between Stanford engineers and researchers at the SLAC National Accelerator Laboratory is an important part of the story.

SLAC particle accelerators and imaging technologies can capture and visualize chemical reactions at the atomic scale. Den där, in combination with SLAC's computational assets, will allow the SUNCAT team to use a variety of techniques, including artificial intelligence, machine learning and simulation, to identify promising materials, and then predict how slight alterations to their atomic structures might optimize them for use as catalysts.

"We plan to simulate the properties of materials that could perform the necessary reactions, " says Bent, "and then come up with a short list of the best candidates for experimentalists to synthesize and test."

The magnitude of the task requires a wide range of talents. In addition to Norskov, Jaramillo and Bent, other participating Stanford researchers include chemical engineering faculty Zhenan Bao and Matteo Cargnello. SLAC collaborators include Thomas Bligaard, senior staff scientist and deputy director of theory at SUNCAT, and staff scientist Frank Abild-Pedersen. A group of Danish researchers led by professor Ib Chorkendorff at the Technical University of Denmark are key members of the project.

"We are part of a very strong team, attacking some of the biggest challenges in chemistry, chemical engineering and sustainability, " says Jaramillo.

The ultimate goal is to create a catalytic process that can spur the various ammonia-producing chemical reactions with no inputs other than air, water and sunlight. Dessutom, these inexhaustible catalysts, and indeed every component in these ammonia-production modules, must be inexpensive to mass produce, durable in the field and easy to operate. It's a tall order but the potential payoff is huge.

"Sustainable nitrogen production will only become possible with the cross-disciplinary collaboration of people working in fields such as materials science, chemical engineering and computer science, " Bent says. "It could literally change the world."

If the project's goal seems worth the effort, the same is true for its research methodology. Team-based discovery that combines theoretical insight, atomic-level visualization and computational simulation can be applied to designing other sustainable processes to create fuels and industrial chemicals, as envisioned by the broader Villum initiative.

Norskov framed that broader objective against the backdrop of global warming in a recent paper co-authored with Arun Majumdar, a professor of mechanical engineering at Stanford, co-director of the Precourt Institute for Energy and former founding director of the Advanced Research Projects Agency–Energy.

In an essay for the Scientific Philanthropy Alliance, Norskov and Majumdar posit that civilization has reached the point at which the technologies that have allowed our population to grow may now threaten life's underpinnings. The essential challenge of the 21st century is to develop new technologies that meet human needs in ways that are environmentally sustainable.

"Essentially we are attempting to restore the balance in the Earth's carbon and nitrogen cycles that has been lost through the exponential increase in the demand for food and fossil fuels, " Norskov and Majumdar write, lägga till, "The time to act is now."