Northwestern University forskare har utvecklat en mycket effektiv, miljövänlig metod för att omvandla ammoniak till väte. Beskrivs i en nyligen publicerad publikation i tidskriften Joule , den nya tekniken är ett stort steg framåt för att möjliggöra en nollförorening, vätedriven ekonomi.

Tanken på att använda ammoniak som bärare för vätgasleverans har fått genomslag de senaste åren eftersom ammoniak är mycket lättare att flyta än väte och därför är mycket lättare att lagra och transportera. Northwesterns tekniska genombrott övervinner flera befintliga hinder för produktion av rent väte från ammoniak.

"Nöden för vätebränsleceller har varit bristen på leveransinfrastruktur, sa Sossina Haile, huvudförfattare till studien. "Det är svårt och dyrt att transportera väte, men ett omfattande system för ammoniaktillförsel finns redan. Det finns rörledningar för det. Vi levererar massor av ammoniak över hela världen för gödning. Om du ger oss ammoniak, de elektrokemiska systemen vi utvecklat kan omvandla den ammoniaken till bränslecellsfärdig, ren väte på plats i alla skala."

Haile är Walter P. Murphy professor i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering med ytterligare utnämningar inom tillämpad fysik och kemi. Hon är också meddirektör vid University-wide Institute for Sustainability and Energy at Northwestern.

I studien, Haile och hennes forskargrupp rapporterar att de kan utföra omvandlingen av ammoniak till väte med förnybar elektricitet istället för fossilbränslen eftersom processen fungerar vid mycket lägre temperaturer än traditionella metoder (250 grader Celsius i motsats till 500 till 600 grader Celsius). Andra, den nya tekniken genererar rent väte som inte behöver separeras från oreagerad ammoniak eller andra produkter. Tredje, processen är effektiv eftersom all elektrisk ström som tillförs enheten direkt producerar väte, utan förlust till parasitreaktioner. Som en extra fördel, eftersom vätet som produceras är rent, den kan trycksättas direkt för högdensitetslagring genom att helt enkelt öka den elektriska kraften.

För att genomföra omvandlingen, forskarna byggde en unik elektrokemisk cell med ett protonledande membran och integrerade den med en ammoniakspjälkande katalysator.

"Ammoniaken möter först katalysatorn som delar den i kväve och väte, "Sa Haile. "Att väte omvandlas omedelbart till protoner, som sedan elektriskt drivs över det protonledande membranet i vår elektrokemiska cell. Genom att ständigt dra av vätgas, vi driver reaktionen att gå längre än den annars skulle göra. Detta är känt som Le Chateliers princip. Genom att ta bort en av produkterna från ammoniakspjälkningsreaktionen – nämligen vätet – driver vi reaktionen framåt, utöver vad den ammoniakspjälkande katalysatorn kan göra ensam."

Vätet som genereras från ammoniakspjälkningen kan sedan användas i en bränslecell. Som batterier, bränsleceller producerar elektrisk kraft genom att omvandla energi som produceras av kemiska reaktioner. Till skillnad från batterier, bränsleceller kan producera el så länge som bränsle tillförs, aldrig förlora sin laddning. Väte är ett rent bränsle som, när det förbrukas i en bränslecell, producerar vatten som sin enda biprodukt. Detta står i kontrast till fossila bränslen, som producerar klimatförändrande växthusgaser som koldioxid, metan och dikväveoxid.

Haile förutspår att den nya tekniken kan vara särskilt transformativ inom transportsektorn. Under 2018, förflyttning av människor och varor med bilar, lastbilar, tåg, fartyg, Flygplan och andra fordon stod för 28 % av växthusgasutsläppen i USA – mer än någon annan ekonomisk sektor enligt Environmental Protection Agency.

"Batteridrivna fordon är fantastiska, men det är verkligen en fråga om utbud och materialförsörjning, ", sa Haile. "Att omvandla ammoniak till väte på plats och på ett distribuerat sätt skulle tillåta dig att köra in på en tankstation och få vätgas under tryck till din bil. Det finns också ett växande intresse för vätebränsleceller för flygindustrin eftersom batterierna är så tunga."

Haile och hennes team har gjort stora framsteg inom området bränsleceller under åren. Som ett nästa steg i deras arbete, de undersöker nya metoder för att producera ammoniak på ett miljövänligt sätt.