SWAP-processen i aktion. Den omvandlar effektivt 90 procent av råvaran till ammoniak på en gång, medan Haber-Bosch-processen endast omvandlar 10 procent. Kredit:2019 Yoshiaki Nishibayashi
Ammoniak - en färglös gas som är nödvändig för saker som gödningsmedel - kan tillverkas genom en ny process som är mycket renare, enklare och billigare än den nuvarande ledande metoden. UTokyo-forskare använder lättillgänglig labbutrustning, återvinningsbara kemikalier och ett minimum av energi för att producera ammoniak. Deras Samarium-Water Ammonia Production (SWAP) process lovar att skala ner ammoniakproduktionen och förbättra tillgången till ammoniakgödsel för bönder överallt.
År 1900, jordens befolkning var under 2 miljarder, medan 2019, det är över 7 miljarder. Denna befolkningsexplosion underblåstes delvis av snabba framsteg inom livsmedelsproduktion, i synnerhet den utbredda användningen av ammoniakbaserade gödselmedel. Källan till denna ammoniak var Haber-Bosch-processen, och även om vissa säger att det är en av de viktigaste prestationerna genom tiderna, det kommer med ett högt pris.
Haber-Bosch-processen omvandlar bara 10 procent av sitt källmaterial per cykel, så det måste köras flera gånger för att använda allt. Ett av dessa källmaterial är väte (H 2 ) produceras med fossila bränslen. Detta är kemiskt kombinerat med kväve (N 2 ) vid temperaturer på cirka 400-600 grader Celsius och tryck på cirka 100-200 atmosfärer, även till stora energikostnader. Professor Yoshiaki Nishibayashi och hans team från University of Tokyos avdelning för systeminnovation hoppas kunna förbättra situationen med sin SWAP-process.
"Över hela världen, Haber-Bosch-processen förbrukar 3 till 5 procent av all producerad naturgas, cirka 1 eller 2 procent av världens hela energiförsörjning, " förklarade Nishibayashi. "Däremot, baljväxter har symbiotiska kvävefixerande bakterier som producerar ammoniak vid atmosfäriska temperaturer och tryck. Vi isolerade den här mekanismen och omvänd konstruerad dess funktionella komponent - nitrogenas."
Under många år, Nishibayashi och hans team använde labbtillverkade katalysatorer för att försöka reproducera hur nitrogenas beter sig. Andra har försökt men deras katalysatorer producerar bara dussintals till flera hundra ammoniakmolekyler innan de tar slut. Nishibayashis speciella molybdenbaserade katalysator producerar 4, 350 ammoniakmolekyler på cirka fyra timmar innan den tar slut.
Ammoniumsulfat från SWAP-processen. Ammoniak kan komma att användas i framtiden som energilagringsmedium för industrier för förnybar energi. Kredit:2019 Yoshiaki Nishibayashi
"Vår SWAP-process skapar ammoniak med 300-500 gånger hastigheten för Haber-Bosch-processen och med 90 procent effektivitet, " fortsatte Nishibayashi. "Faktor i de gigantiska energibesparingarna i processen och inköp av råvaror och fördelarna visar verkligen."
Vem som helst med rätt källmaterial kan utföra SWAP på ett bordsbaserat kemilab, Haber-Bosch-processen kräver storskalig industriell utrustning. Detta skulle ge tillgång till dem som saknar kapital att investera i så stora, dyr utrustning. Råvarorna i sig är en enorm besparing vad gäller kostnad och energi.
"En stark motivation var att göra SWAP-processen möjlig i stationär skala. Jag hoppas att den här processen demokratiserar produktionen av konstgödsel, ", sa Nishibayashi. "Så det handlar inte bara om förskottskostnaderna utan också de fortsatta kostnaderna och energibesparingarna för råvaror. Mitt team erbjuder den här idén för att hjälpa jordbruksmetoder på de platser som behöver det mest."
SWAP tar in kväve (N 2 ) från luften – som Haber-Bosch-processen gör – men den speciella molybdenbaserade katalysatorn kombinerar detta med protoner (H + ) från vatten och elektroner (t - ) från samarium (SmI 2 ). Samarium – även känt som Kagans reagens – bryts för närvarande och används i SWAP-processen. Samarium kan dock återvinnas med elektricitet för att fylla på sina förlorade elektroner och forskare siktar på att använda billiga förnybara källor för detta i framtiden.
"Jag blev positivt överraskad när vi hittade något så vanligt som vatten kunde fungera som protonkälla; en molybdenkatalysator tillåter normalt inte detta, men vår är speciell, ", avslutade Nishibayashi. "Det är den första artificiella kvävefixerande reaktionen som når en hastighet nära den vi ser nitrogenas producera i naturen. Och som den naturliga processen, den är passiv, för, så bättre för miljön. Jag hoppas att mitt livsverk kan vara till stor nytta för mänskligheten."
Studien publiceras i Natur .
