Vårt samhälle är i behov av ammoniak mer än någonsin. Kemiska gödningsmedel, plast, fibrer, läkemedel, köldmedier i värmepumpar, och även sprängämnen använder alla ammoniak som råvara. Dessutom, ammoniak har nyligen föreslagits som vätebärare på grund av dess höga väteinnehåll.

I Haber-Bosch-processen, vilket är huvudmetoden för ammoniaksyntes, kväve reagerar med väte med hjälp av en metallkatalysator för att producera ammoniak. Dock, denna industriella process genomförs vid 200 atm och höga reaktionstemperaturer på nästan 500°C. Dessutom, ammoniakproduktion kräver mycket naturgas, så forskare har letat efter alternativa metoder för att på ett hållbart sätt syntetisera ammoniak vid låg temperatur.

I en nyligen genomförd studie, forskare från Waseda University och Nippon Shokubai Co. Ltd. uppnådde en mycket effektiv ammoniaksyntes vid låg temperatur, med den högsta avkastningen som någonsin rapporterats.

"Genom att applicera ett elektriskt fält på katalysatorn som används i vårt experiment, vi åstadkom en effektiv, småskalig process för ammoniaksyntes under mycket milda förhållanden, " säger professor Yasushi Sekine vid Waseda University. "Med den här nya metoden, vi kan samla in mycket ren ammoniak som komprimerad vätska och öppna dörrar till utveckling av on-demand ammoniakproduktionsanläggningar som drivs med förnybar energi."

Denna forskning publicerades i Kemivetenskap .

1972, ruthernium (Ru) katalysator med alkalimetaller visade sig minska de reaktionstemperaturer och tryck som krävs för Haber-Bosch-bearbetning, och olika metoder har föreslagits sedan denna upptäckt. Tyvärr, ammoniaksynteshastigheten hindrades av kinetiska begränsningar.

"Vi applicerade elektriskt likströmsfält på Ru-CS-katalysatorn för vår ammoniaksyntes. Vår forskargrupp fick ett anmärkningsvärt högt ammoniakfält på cirka 30 mmol gcat-1h-1 med hög produktionsenergieffektivitet. För att inte nämna, detta gjordes vid låga reaktionstemperaturer och tryck från atmosfäriska till 9 atm, som är kinetiskt kontrollerbar. Energiförbrukningen för att producera ammoniak var också mycket låg."

Hur forskarna kunde få sådana resultat kunde förklaras av en mekanism som kallas ytprotonhoppning, en unik ytledning som utlöses av ett elektriskt fält.

"Våra experimentella undersökningar, inklusive elektronmikroskopobservation, mätningar av infraröd spektroskopi, och isotopbytesprov med kvävgas, bevisa att protonhoppning spelar en viktig roll i reaktionen, eftersom det aktiverar kvävgas även vid låga temperaturer och dämpar de hårda tillståndskraven, " förklarar professor Sekine.

Den nya tekniken åtgärdar även hinder i konventionell ammoniaksyntes, såsom väteförgiftning av Ru-katalysatorer och fördröjning av kvävedissociation. Vidare, forskningsresultaten tyder på att mindre skala, mer dispergerad ammoniakproduktion skulle kunna realiseras, och det blir möjligt att bygga högeffektiva ammoniakanläggningar som drivs med förnybar energi. Sådana ammoniakanläggningar förväntas producera 10 till 100 ton ammoniak per dag. Professor Sekine tror att deras resultat kommer att vara viktiga för framtida energi- och materialkällor.