Ammoniak (NH ₃ ) är en av de mest producerade kemikalierna, med en global produktion på 170 megaton per år. Det är den viktigaste ingrediensen i produktionen av gödningsmedel, och spelar därmed en kritisk roll för att upprätthålla världens befolkning. Dock, mer än 1 procent av den globala energin förbrukas av ammoniakproduktion, vilket involverar reaktionen av dinitrogen (N ₂ ) från luft och diväte (H ₂ ), via Haber-Bosch-processen.

Även om industrin har sett vissa genombrott när det gäller effektivitet, väteatomerna i ammoniak härrör från det fossila bränslet metan (CH ₄ ), och koldioxid (CO ₂ ) produceras som en biprodukt. Med andra ord, Haber Bosch -processen är ohållbar. Dessutom, det kräver höga temperaturer och tryck, vilket betyder att den bara kan produceras i stora centraliserade reaktorer, långt från konsumtionspunkten. Följaktligen, de logistiska och säkerhetsmässiga utmaningarna för att transportera ammoniak, som är både giftigt och frätande, hindra många potentiella användare från att kunna använda den, särskilt i utvecklingsländer.

Under många år, forskare har därför arbetat hårt för att hitta ett alternativ, elektrokemisk metod för syntetisering av ammoniak, som kan drivas med förnybar energi och produceras lokalt, vid användning. Det finns stora utmaningar att lösa - såväl vetenskapliga som tekniska - innan processen kan bli skalbar och lönsam.

Experimentella studier har hittills inte kunnat matcha effektiviteten hos den dominerande Haber-Bosch-processen. Dessutom, många av dessa studier kan inte utesluta förorening på grund av ammoniak eller andra kvävehaltiga föreningar som redan finns i luften, mänskligt andetag, jonledande membran eller till och med själva katalysatorn.

En ny studie i Natur av ett internationellt team av forskare från Danmarks tekniska universitet (DTU), Stanford University och Imperial College London belyser denna fråga.

"Syntes av ammoniak genom elektrokemiska processer samlar enormt intresse, inte bara från akademiska forskare utan också från industri och regering. Detta intresse drivs av behovet av att göra produktionen av ammoniak mindre beroende av fossila bränslen. Dock, många akademiska grupper misslyckas med att bevisa att ammoniaken verkligen härrör från N ₂ molekyl. Detta beror delvis på de mycket små mängder ammoniak som produceras vilket gör att även små föroreningar ger en falsk positiv, säger docent Jakob Kibsgaard vid DTU.

Protokollet som forskarna lade fram använder kväve-15 (15N ₂ ), en isotop som gör att de kan detektera och kvantifiera elektroreduktionen av N ₂ till ammoniak. Genom denna metod, de kan skilja effekterna av falsk kontaminering från äkta N ₂ minskning.

"Om elektrokemiska processer blir mer effektiva, isotopmärkning kommer att bli ett mindre problem, eftersom vi kommer att producera större mängder ammoniak. Ändå, vi har studier som kommer ut just nu som inte följer de mest grundläggande protokollen för att säkerställa att resultaten är giltiga, "säger universitetslektor Ifan E. L. Stephens vid Imperial College London.

Med hjälp av deras protokoll, forskarna har bevisat att en metod som rapporterades 1993 av ett annat team av forskare (från Tokyo Institute of Technology), ger entydigt ammoniak härrörande från N ₂ . Även om många studier måste omvärderas, det nuvarande resultatet är betydande, eftersom det visar att den elektrokemiska produktionen av ammoniak verkligen är genomförbar.

"Vi hoppas att det här dokumentet kommer att påminna forskarsamhället att använda rätt kontrollexperiment och protokoll för att korrekt utvärdera sin forskning. Vi är alla en del av ett framväxande område som kan ha en mycket positiv inverkan på ammoniakproduktion och globalt CO ₂ utsläpp. Följaktligen, vi måste vara säkra på att vi utnyttjar vår tid på labbet väl - och den här forskningen kan hjälpa oss att göra det. "säger professor Ib Chorkendorff vid DTU.