Steven McIntosh vill förändra hur ammoniak produceras. Han hoppas kunna skapa ett livskraftigt alternativ till den konventionella metoden, som använder enorma mängder energi och avger skadlig koldioxid. Han utforskar en hållbar elektrokemisk metod för att effektivt driva den kemiska reaktionen som producerar ammoniak.

Ammoniak är en färglös gas som består av ett kväve och tre väteatomer. Haber-Bosch-processen-skapad av tyska kemister Fritz Haber och Carl Bosch i början av 1900-talet-krediteras med att möjliggöra massmatproduktion, eftersom ammoniak huvudsakligen används inom jordbruket som gödselmedel.

Haber -processen, som det är allmänt känt, kombinerar kväve från luften med väte som härrör från naturgas - mestadels bestående av metan - i en kemisk reaktion som verkar vid mycket högt tryck. I denna konventionella metod, järn, katalysatorn som används, lätt "bryter" väteatomerna. Dock, ett stort tryck krävs för att "pressa" kvävet på katalysatorn för att stimulera reaktionen. Dessutom, processen för att generera väte från metan avger stora mängder av växthusgasen koldioxid till atmosfären.

Ammoniaktillverkningen förbrukar 1 till 2% av den totala globala energin och ansvarar för cirka 3% av de globala koldioxidutsläppen.

Med tanke på behovet av ökad livsmedelsproduktion till följd av befolkningstillväxt - 2 miljarder människor kommer att läggas till planeten år 2050 - är det klart att en hållbar metod för att producera ammoniak måste skapas.

McIntosh uttrycker det mer kortfattat:"Processen att producera ammoniak är avgörande för mänsklig överlevnad, har inte förändrats på mer än hundra år och är en stor förorenare. Det är dags för en förändring. "

McIntosh, professor i kemisk och biomolekylär teknik vid Lehigh University, undersöker en metod för att producera ammoniak som kan leda till en sådan förändring genom att använda elektricitet för att driva den kemiska reaktionen. Hans metod skulle eliminera behovet av att använda högt tryck för att bryta kvävebindningarna. Och, eftersom det härleder väte från vatten istället för naturgas, det skulle inte bli några koldioxidutsläpp. Dess främsta biprodukt skulle vara syre.

McIntosh tilldelades nyligen ett treårigt samarbetsforskningsbidrag av National Science Foundation (NSF) för att stödja denna forskning. McIntosh kommer att leda Lehigh -teamet som huvudutredare i nära samarbete med ett team vid University of Pennsylvania, Professorer Raymond J. Gorte, John M. Vohs och Aleksandra Vojvodic.

I ett transformativt paradigmskifte kommer McIntosh och hans kollegor att undersöka en metod för att producera ammoniak från väte och kväve med hjälp av en protonledande, keramisk, fast-oxid elektrokemisk cell. Deras centrala hypotes är att atmosfärstryck, ammoniaksyntes kan realiseras genom att elektrokemiskt driva väte till katalytiska ytor som normalt begränsas av hög nitridtäckning.

"Vi planerar att experimentera med olika katalysatorer, som volfram, som normalt skulle täckas med kväve, rubba balansen mellan väte och kväve som krävs för att reaktionen ska äga rum, "säger McIntosh." Vi kommer att lösa denna obalans genom att tillämpa en elektrokemisk potential för att driva vätet till katalysatorytan och bilda ammoniak. "

Projektet kommer att dra fördel av de infiltreringsmetoder som tidigare utvecklats för elektrodsyntes i fasta oxidbränsleceller som gör att ett brett spektrum av material kan användas för elektroderna. Teamet kommer också att utforska blandade elektroniska-protoniska ledare som kan läggas till elektroden för att förbättra trefasgränsen där den elektrokemiska reaktionen kan inträffa. Valet av elektrokatalysatorer styrs av kompletterande teoretiska studier.

McIntosh beskriver den föreslagna metoden som att lägga till en "ytterligare vred" - elektricitet - till ammoniakproduktionsprocessen.

"I denna metod, vätet kommer från vatten, vilket gör det till en slags omvänd bränslecell, säger McIntosh.

En bränslecell kombinerar väte och syre för att producera vatten och skapar i processen elektricitet. Den föreslagna reaktorn kommer att använda elektricitet för att dela vatten för att tillhandahålla det väte som krävs vid ammoniaksyntes, ta bort behovet av att konsumera naturgas och släppa ut koldioxid. Detta projekt kommer att resultera i småskaliga demonstrationsceller som separerar väte- och syreatomer som utgör vatten, använder väte och avger syre.

Enligt McIntosh, forskare har provat liknande ammoniakproduktionsmetoder men kunde producera väldigt lite ammoniak. När det gäller ammoniak, förmågan att producera den i industriell skala är det som spelar roll.

Det är därför ett av projektets huvudmål är att producera en rimlig ammoniakproduktion. Ett annat mål är att demonstrera vad McIntosh säger är den här teknikens "modularitet".

I sista hand, detta nya sätt att producera ammoniak kan vara en del av ett större försök att göra matproduktionen grönare och mer hållbar.

"Att göra ammoniak med den konventionella metoden kräver en enorm energikälla vilket innebär att den måste tillverkas på en plats och sedan skickas - vilket ökar metodens ineffektivitet, "säger McIntosh." Förhoppningen är att någon dag ammoniak kan produceras på plats med hjälp av en modulär cell som den typ vi utforskar, drivs av en lokal elkälla som solpaneler eller vindkraftverk. "