Det mesta av världens gödselmedel produceras i stora tillverkningsanläggningar, som kräver enorma mängder energi för att generera de höga temperaturer och tryck som behövs för att kombinera kväve och väte till ammoniak.

MIT kemiingenjörer arbetar med att utveckla ett alternativ i mindre skala, som de föreställer sig skulle kunna användas för att lokalt producera gödselmedel för bönder i avlägsna, landsbygdsområden, som Afrika söder om Sahara. Gödselmedel är ofta svårt att få tag på i sådana områden på grund av kostnaden för att transportera det från stora tillverkningsanläggningar.

I ett steg mot den typen av småskalig produktion, forskargruppen har utarbetat ett sätt att kombinera väte och kväve med hjälp av elektrisk ström för att generera en litiumkatalysator, där reaktionen sker.

"I framtiden, om vi föreställer oss hur vi vill att det här ska användas en dag, vi vill ha en enhet som kan andas in luft, ta in vatten, har en solpanel ansluten till den, och kunna producera ammoniak. Detta kan användas av en bonde eller ett litet samhälle av jordbrukare, "säger Karthish Manthiram, en biträdande professor i kemiteknik vid MIT och seniorförfattaren till studien.

Doktorand Nikifar Lazouski är huvudförfattare till tidningen, som visas idag i Naturkatalys . Andra författare inkluderar doktorander Minju Chung och Kindle Williams, och grundutbildningen Michal Gala.

Mindre skala

I mer än 100 år, gödselmedel har tillverkats med hjälp av Haber-Bosch-processen, som kombinerar atmosfäriskt kväve med vätgas för att bilda ammoniak. Vätgasen som används för denna process erhålls vanligtvis från metan som härrör från naturgas eller andra fossila bränslen. Kväve är mycket oreaktivt, så höga temperaturer (500 grader Celsius) och tryck (200 atmosfärer) krävs för att få det att reagera med väte för att bilda ammoniak.

Genom att använda denna process, tillverkningsanläggningar kan producera tusentals ton ammoniak per dag, men de är dyra att köra och de släpper ut mycket koldioxid. Bland alla kemikalier som produceras i stora volymer, ammoniak är den största bidragsgivaren till utsläpp av växthusgaser.

MIT-teamet satte sig för att utveckla en alternativ tillverkningsmetod som skulle kunna minska dessa utsläpp, med den extra fördelen av decentraliserad produktion. I många delar av världen, det finns lite infrastruktur för att distribuera gödselmedel, vilket gör det dyrt att få gödselmedel i dessa regioner.

"Den idealiska egenskapen för en nästa generations metod för framställning av ammoniak skulle vara att den distribueras. Med andra ord, du kan göra den ammoniaken nära där du behöver den, " säger Manthiram. "Och helst, det skulle också eliminera CO ₂ fotavtryck som annars finns."

Medan Haber-Bosch-processen använder extrem värme och tryck för att tvinga kväve och väte att reagera, MIT -teamet bestämde sig för att försöka använda el för att uppnå samma effekt. Tidigare forskning har visat att applicering av elektrisk spänning kan förskjuta reaktionens jämvikt så att det gynnar bildningen av ammoniak. Dock, det har varit svårt att göra detta på ett billigt och hållbart sätt, säger forskarna.

De flesta tidigare försök att utföra denna reaktion under normala temperaturer och tryck har använt en litiumkatalysator för att bryta den starka trippelbindning som finns i kvävgasmolekyler. Den resulterande produkten, litiumnitrid, kan sedan reagera med väteatomer från ett organiskt lösningsmedel för att producera ammoniak. Dock, det lösningsmedel som vanligtvis används, tetrahydrofuran, eller THF, är dyrt och förbrukas av reaktionen, så det måste bytas ut hela tiden.

MIT-teamet kom på ett sätt att använda vätgas istället för THF som källa till väteatomer. De designade en nätliknande elektrod som tillåter kvävgas att diffundera genom den och interagera med väte, som är upplöst i etanol, vid elektrodytan.

Detta rostfria stål, nätstrukturen är belagd med litiumkatalysatorn, produceras genom plätering av litiumjoner från lösning. Kvävgas diffunderar genom nätet och omvandlas till ammoniak genom en serie reaktionssteg medierade av litium. Denna inställning tillåter väte och kväve att reagera med relativt höga hastigheter, trots att de vanligtvis inte är särskilt lösliga i några vätskor, vilket gör det mer utmanande att reagera på dem i hög takt.

"Denna duk av rostfritt stål är ett sätt att mycket effektivt komma i kontakt med kvävgas med vår katalysator, samtidigt som de har de elektriska och joniska anslutningar som behövs, " säger Lazouski.

Klyvande vatten

I de flesta av deras ammoniakproducerande experiment, forskarna använde kväve och vätgas som strömmade in från en gasflaska. Dock, de visade också att de kunde använda vatten som vätekälla, genom att först elektrolysera vattnet och sedan strömma det vätet in i deras elektrokemiska reaktor.

Det övergripande systemet är tillräckligt litet för att sitta på en labbbänk, men det skulle kunna skalas upp för att producera större mängder ammoniak genom att koppla ihop många moduler, säger Lazouski. En annan viktig utmaning kommer att vara att förbättra reaktionens energieffektivitet, som nu bara är cirka 2 procent, jämfört med 50 till 80 procent för Haber-Bosch-reaktionen.

"Vi har en övergripande reaktion som äntligen ser positiv ut, vilket är ett stort steg framåt, " säger han. "Men vi vet att det fortfarande finns ett energiförlustproblem som måste lösas. Det kommer att vara en av de viktigaste sakerna som vi vill ta itu med i det framtida arbetet som vi kommer att genomföra."

Förutom att fungera som en produktionsmetod för små partier gödselmedel, detta tillvägagångssätt kan också lämpa sig för energilagring, Säger Manthiram. Denna idé, som nu eftersträvas av vissa forskare, Parlamentet kräver att el som produceras av vind- eller solenergi används för att producera ammoniak. Ammoniaken kan sedan fungera som ett flytande bränsle som skulle vara relativt enkelt att lagra och transportera.

"Ammoniak är en sådan kritisk molekyl som kan bära många olika hattar, och samma metod för ammoniakproduktion skulle kunna användas i mycket olika tillämpningar, " säger Manthiram.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.