Kvävebaserade syntetiska gödselmedel utgör ryggraden i världens livsmedelsförsörjning, men dess tillverkning kräver en enorm mängd energi. Nu, datormodellering vid Princeton University pekar på en metod som drastiskt kan minska energin som behövs genom att använda solljus i tillverkningsprocessen.

Tillverkare tillverkar för närvarande gödselmedel, läkemedel och andra industrikemikalier genom att dra kväve ur luften och kombinera det med väte. Kväve är rikligt, utgör cirka 78 procent av luften. Men atmosfäriskt kväve är svårt att använda eftersom det är låst i par atomer, kallas N ₂ , och bindningen mellan dessa två atomer är den näst starkaste i naturen. Därför krävs det mycket energi för att dela upp N ₂ molekyl och låt kväve- och väteatomerna kombinera. De flesta tillverkare använder Haber-Bosch-processen, en sekelgammal teknik som avslöjar N ₂ och väte till en järnkatalysator i en kammare uppvärmd till mer än 400 grader Celsius. Metoden använder så mycket energi att Vetenskap tidningen rapporterade att tillverkning av konstgödsel och liknande föreningar representerar cirka 2 procent av världens energianvändning varje år.

Ett forskargrupp ledd av Emily Carter, Princetons dekan för teknik och Gerhard R. Andlinger -professor i energi och miljö, ville veta om det skulle vara möjligt att använda ljus för att försvaga bindningen i den atmosfäriska kvävemolekylen. Om så är fallet, det skulle göra det möjligt för tillverkare att radikalt minska energin som behövs för att dela kväve för användning i gödningsmedel och en mängd andra produkter.

"Utnyttja energin i solljus för att aktivera inerta molekyler som kväve, och växthusgaser metan och koldioxid för den delen, är en stor utmaning för hållbar kemisk produktion, sa Carter, som är professor i maskin- och rymdteknik och i tillämpad och beräkningsmatematik. "Ersätter traditionell energikrävande hög temperatur, högtrycks kemisk tillverkning med solljusdriven, rumstemperaturprocesser är ett annat sätt att minska vårt beroende av fossila bränslen."

Forskarna var intresserade av att dra nytta av ljusets unika beteende när det interagerar med metalliska nanostrukturer som är mindre än en enda ljusvåglängd. Bland andra effekter, fenomenet, kallas ytplasmonresonans, kan koncentrera ljus och förstärka elektriska fält. Dr John Mark Martirez, en postdoktoral forskare och medlem i Princeton-forskargruppen, sa att forskarna trodde att det skulle vara möjligt att använda plasmonresonanser för att öka katalysatorns förmåga att dela isär kvävemolekyler.

"Det är en annan metod för att leverera energi för att bryta bindningen, "sa han." I stället för att använda värme, vi använder ljus."

I en artikel från 5 januari i tidningen Vetenskapliga framsteg , forskarna beskriver hur de använde datasimuleringar för att modellera ljusets beteende i små strukturer gjorda av guld och molybden. Guld tillhör en klass av metaller, inklusive koppar och aluminium, som kan formas för att producera ytplasmonresonanser. Forskarna använde en uppsättning datormodelleringsverktyg för att simulera nanostrukturer gjorda av guld, och tillsatt molybden till dess yta, som är en metall som kan spjälka kvävemolekyler.

"Den plasmoniska metallen fungerar som en blixt, "Sa Martirez." Den koncentrerar en stor mängd ljusenergi i ett mycket litet område. "

Den koncentrerade ljusenergin ökar effektivt molybdenets förmåga att dra isär de två kväveatomerna.

"Ljusets växelverkan förstorar det elektriska fältet nära katalysatorns yta, som hjälper till att bryta bandet, sa Martirez.

Forskarnas beräkningar tyder på att plasmonresonanstekniken borde kunna reducera den energi som behövs för att knäcka de atmosfäriska kvävemolekylerna avsevärt. Carter sa att modelleringen indikerar att det borde vara möjligt att dissociera kvävemolekylen vid rumstemperatur och vid lägre tryck än vad som krävs av Haber-Bosch-processen.

Att simulera processen och samtidigt beakta ljusets effekt var utmanande. De flesta datormodeller som exakt kan bedöma kemiska reaktioner på molekylär nivå, och ta hänsyn till förändringar inducerade av ljus, kan bara simulera några atomer åt gången. Även om detta är vetenskapligt värdefullt, det brukar inte räcka för utvärdering av industriella processer.

Så forskarna vände sig till en teknik som ursprungligen utvecklats av Carter som gör det möjligt för forskare att använda mycket exakta metoder för att modellera ett litet fragment av ytan och sedan utöka dessa resultat för att få förståelse för ett bredare system. Tekniken, kallad inbäddad korrelerad vågfunktionsteori, har upprepade gånger verifierats och använts i stor utsträckning inom Carter -gruppen, och forskarna är säkra på dess tillämpning på problemet med kvävespjälkning.

Carter sa att hennes team samarbetar med Naomi Hallas och Peter Nordlander från Rice University för att testa plasmonresonanstekniken i laboratoriet. Forskarna har arbetat tillsammans i liknande projekt tidigare, inklusive demonstration av dissociering av vätemolekyler på ren guld nanopartiklar.

Som nästa steg, Carter sa att hon skulle vilja utöka plasmonresonanstekniken till andra starka kemiska bindningar. En kandidat är kol-vätebindningen i metan. Tillverkare använder naturgas för att tillföra väte i gödningsmedel samt andra viktiga industrikemikalier. Så att hitta en lågenergimetod för att bryta det bandet kan också vara en välsignelse för tillverkningen.