Jakten på en mer energieffektiv och miljövänlig metod för ammoniakproduktion för gödningsmedel har lett till upptäckten av en ny typ av katalytisk reaktion.

Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory använde nanoskala spikar av kol för att katalysera en reaktion som genererar ammoniak från kväve och vatten, med hjälp av litiumsalt och appliceringen av ett elektriskt fält. Studien, publiceras i Vetenskapens framsteg , avslöjar en typ av katalysator som har föreslagits teoretiskt men aldrig demonstrerats.

"Det är en katalysator som fungerar helt baserat på det elektriska fältet; detta har aldrig observerats för kväve, " sa ORNLs Adam Rondinone, studiens huvudförfattare. "Vi kallar det en fysikalisk katalysator - normalt är en katalysator kemisk."

Ammoniak, en förening gjord av en kväveatom och tre väteatomer, produceras vanligtvis genom den energiintensiva Haber-Bosch-metoden. Denna process använder hög temperatur och tryck för att splittra de stabila bindningarna av molekylärt kväve, kräver stora mängder naturgas. Industriell produktion av ammoniak förbrukar uppskattningsvis 3 procent av världens energi och genererar 3 till 5 procent av världens utsläpp av växthusgaser.

"Ammoniakproduktion är ett enormt problem som vi måste hitta sätt att ta itu med, ", sa Rondinone. "I jakten på detta mål, vi har upptäckt en reaktionsmekanism som ger oss en ny väg."

Till skillnad från Haber-Bosch, lagets process sker vid rumstemperatur i en lösning av vatten, löst kvävgas och litiumperkloratsalt, med hjälp av en unik katalysator i form av kolspetsar i nanoskala. Dessa spikar, endast 50-80 nanometer lång och en nanometer bred vid spetsen, fungerar som heta punkter för att förstärka det elektriska fältet och attrahera positivt laddade litiumjoner. Det antas att litiumet drar med sig kvävemolekyler, som koncentrerar sig runt de elektrifierade kolpiggarna och börjar reagera för att bilda ammoniak.

"Varje normal katalysator fungerar genom att bilda en kemisk bindning mellan den reaktiva molekylen och katalysatorytan. I det här fallet, det behövs ingen kemisk bindning. Det är helt enkelt det höga elektriska fältet som gör att reaktionen kan fortsätta, " sa Rondinone.

Reaktionens låga utbyte - cirka 12 procent - begränsar dess livskraft för industriell användning, men upptäckten av dess unika elektrokemi kan hjälpa till att utveckla alternativa metoder för ammoniakgenerering.

Forskarna använde också beräkningsmodellering och simulering för att förstå sina experimentella resultat. De beräknade teoretiska förutsägelser av det elektriska fältet, anrikningen av joner runt koltopparna och kvävets molekylära orbitala energier för att beskriva hur molekylerna destabiliserades i det elektriska fältet.

"På grund av de vassa nanospetsarna, det lokala elektriska fältet är verkligen mycket starkt, i storleksordningen 10 volt per nanometer, ", sa ORNL-teoretikern Jingsong Huang. "Vi utförde beräkningar för att studera joniseringspotentialen och elektronaffiniteten för kväve under pålagda elektriska fält, och dessa beräkningar tyder på att annars inert kväve blir reaktivt."

Studien publiceras som "A Physical Catalyst for the Electrolysis of Nitrogen to Ammonia."

Medförfattare är ORNL:s Yang Song, Daniel Johnson, Rui Peng, Dale Hensley, Peter Bonnesen, Liangbo Liang, Jingsong Huang, Arthur Baddorf, Timothy Tschaplinski, Nancy Engle, Zili Wu, David Cullen, Harry Meyer III, Bobby Sumpter och Adam Rondinone, Virginia Techs Fengchang Yang, Fei Zhang och Rui Qiao, och Georgia Techs Marta Hatzell.