Forskare vid University of Notre Dame utvecklar en strategi för förnybar energi för att syntetisera ammoniak, en väsentlig komponent i gödselmedel som stödjer världens behov av livsmedelsproduktion. Haber-Bosch-processen som utvecklades i början av 1900-talet för att producera ammoniak är beroende av icke-förnybara fossila bränslen och har begränsade tillämpningar för endast stora, centraliserade kemiska anläggningar.

Den nya processen, publiceras i Naturkatalys , använder en plasma - en joniserad gas - i kombination med icke-ädelmetallkatalysatorer för att generera ammoniak under mycket mildare förhållanden än vad som är möjligt med Haber-Bosch. Energin i plasma exciterar kvävemolekyler, en av de två komponenterna som används för att göra ammoniak, så att de kan reagera lättare på katalysatorerna. Eftersom energin för reaktionen kommer från plasma snarare än hög värme och intensivt tryck, processen kan utföras i liten skala. Detta gör den nya processen väl lämpad för användning med intermittenta förnybara energikällor och för distribuerad ammoniakproduktion.

"Plasma har av många ansetts vara ett sätt att tillverka ammoniak som inte är beroende av fossila bränslen och som hade potential att användas på ett mindre centraliserat sätt, sa William Schneider, H. Clifford och Evelyn A. Brosey professor i teknik, ansluten medlem av ND Energy och medförfattare till studien. "Den verkliga utmaningen har varit att hitta rätt kombination av plasma och katalysator. Genom att kombinera molekylära modeller med resultat i laboratoriet, vi kunde fokusera på kombinationer som aldrig hade övervägts tidigare."

Forskargruppen ledd av Schneider; David gå, Rooney Family Docent i teknik inom flyg- och maskinteknik; och Jason Hicks, docent i kemi- och biomolekylär teknik, upptäckte att eftersom kvävemolekylerna aktiveras av plasman, kraven på metallkatalysatorerna är mindre stränga, gör att billigare material kan användas under hela processen. Detta tillvägagångssätt övervinner grundläggande begränsningar för den värmedrivna Haber-Bosch-processen, vilket tillåter reaktionen att utföras vid Haber-Bosch-hastigheter vid mycket mildare förhållanden.

"Målet med vårt arbete var att utveckla ett alternativt tillvägagångssätt för att tillverka ammoniak, men de insikter som har kommit från detta samarbete mellan våra forskargrupper kan appliceras på andra svåra kemiska processer, som att omvandla koldioxid till en mindre skadlig och mer användbar produkt. När vi fortsätter att studera plasma-ammoniaksyntes, vi kommer också att överväga hur annars plasma och katalysatorer skulle kunna gynna andra kemiska omvandlingar, sa Hicks.