Ammoniak, en förening som först syntetiserades för ungefär ett sekel sedan, har dussintals moderna användningsområden och har blivit avgörande för att tillverka gödselmedlet som nu upprätthåller det mesta av vår globala livsmedelsproduktion.

Men medan vi har producerat ammoniak i stor skala sedan 1930-talet, det har framförallt åstadkommits i enorma kemiska anläggningar som kräver stora mängder vätgas från fossila bränslen, vilket gör ammoniak till en av de mest energikrävande bland alla kemikalier i stora volymer.

Ett par forskare vid Case Western Reserve University - en expert på elektrokemisk syntes, den andra i tillämpningar av plasma—jobbar på att fixa det.

Forskarna Julie Renner och Mohan Sankaran har kommit på ett nytt sätt att skapa ammoniak från kväve och vatten vid låg temperatur och lågt tryck. De har gjort det framgångsrikt hittills i ett laboratorium utan att använda väte eller fast metallkatalysator som är nödvändig i traditionella processer.

"Vårt tillvägagångssätt - en elektrolytisk process med plasma - är helt ny, " sa Mohan Sankaran, Goodrich professor i teknisk innovation vid Case School of Engineering.

Plasma, ofta kallad materiens fjärde tillstånd (förutom fast, vätska eller gas), är joniserade gasmoln, som består av positiva joner och fria elektroner, som ger den den unika förmågan att aktivera kemiska bindningar, inklusive den ganska utmanande kvävemolekylen, vid rumstemperatur.

Renner, en Climo biträdande professor vid avdelningen för kemisk och biomolekylär teknik, tillade att eftersom denna nya process inte behöver högt tryck eller hög temperatur eller väte, det gör det skalbart - "den idealiska typen av teknik för en mycket mindre anläggning, en med hög potential att drivas med förnybar energi. "

Resultaten av deras tvååriga samarbete publicerades denna månad i tidningen Vetenskapens framsteg .

Historielektion:Haber-Bosch-processen

Praktiskt taget all kommersiell ammoniak är gjord av kväve och väte, med användning av en järnkatalysator vid hög temperatur och högt tryck.

Den tyske fysikaliska kemisten Fritz Haber fick Nobelpriset i kemi 1918 för att ha utvecklat denna process, vilket gjorde tillverkning av ammoniak ekonomiskt genomförbar.

Men processen blev mer ekonomiskt lönsam när industrikemisten Carl Bosch (som också fick Nobelpriset 1931) förde in metoden i ett storskaligt system. Processen drevs ytterligare av en andra innovation:utvecklingen av ångmetanreformering som gjorde väte mer tillgängligt och billigare.

Så, vad som blev känt som Haber-Bosch-processen blev den globala metoden för att fixera kväve och väte för att göra ammoniak.

Men Haber-Bosch var aldrig den enda metoden för kvävefixering, det var bara sekelskiftets vinnare.

En ny, gammal metod stiger

Renner och Sankaran har återuppstått ett element från en föga känd norsk metod som föregick Haber-Bosch (Birkeland-Eyde-processen) som reagerade kväve och syre för att producera nitrater, en annan kemikalie som kan användas inom jordbruket. Den processen förlorade för Haber-Bosch mest för att den krävde ännu mer energi i form av elektricitet, en begränsad resurs i början av 1900 -talet.

"Vår metod liknar elektrolytisk syntes av ammoniak, som har fått intresse som ett alternativ till Haber-Bosch eftersom det kan integreras med förnybar energi, " sa Sankaran. "Men, som Birkeland-Eyde-processen, vi använder en plasma, som är energikrävande. El är fortfarande en barriär, men mindre nu, och med ökningen av förnybar energi, det kanske inte är någon barriär alls i framtiden.

"Och kanske viktigast, vår process producerar inte vätgas, ", sa han. "Detta har varit den stora flaskhalsen för andra elektrolytiska metoder för att bilda ammoniak från vatten (och kväve), den oönskade bildningen av väte."

Renner-Sankaran-processen använder inte heller en fast metallkatalysator som kan vara en av anledningarna till att ammoniak erhålls istället för väte.

"I vårt system, ammoniaken bildas vid gränsytan mellan en gasplasma och flytande vattenyta och bildas fritt i lösning, sa Sankaran.

Än så länge, "bordsskivorna" av ammoniak som producerats av duon har varit mycket små och energieffektiviteten är fortfarande mindre än Haber-Bosch. Men med fortsatt optimering, deras upptäckt och utveckling av en ny process kan en dag leda till mindre, mer lokaliserade ammoniakanläggningar som använder grön energi.