Ammoniak används ofta i gödningsmedel eftersom det har det högsta kväveinnehållet av handelsgödsel, vilket gör det nödvändigt för växtodling. Men två koldioxidmolekyler görs för varje molekyl av ammoniak som produceras, vilket bidrar till överskott av koldioxid i atmosfären.

Ett team från Artie McFerrin Department of Chemical Engineering vid Texas A&M University bestående av Dr. Abdoulaye Djire, biträdande professor och doktorand Denis Johnson, har utvecklat en metod för att producera ammoniak genom elektrokemiska processer, vilket hjälper till att minska koldioxidutsläppen. Denna forskning syftar till att ersätta Haber-Boschs termokemiska process med en elektrokemisk process som är mer hållbar och säkrare för miljön.

Forskarna publicerade nyligen sina resultat i Scientific Reports .

Sedan början av 1900-talet har Haber-Bosch-processen använts för att framställa ammoniak. Denna process fungerar genom att reagera atmosfäriskt kväve med vätgas. En nackdel med Haber-Bosch-processen är att den kräver högt tryck och hög temperatur, vilket lämnar ett stort energifotavtryck. Metoden kräver också väteråvara, som härrör från icke-förnybara resurser. Det är inte hållbart och har negativa konsekvenser för miljön, vilket påskyndar behovet av nya och miljövänliga processer.

Forskarna har föreslagit att man använder den elektrokemiska kvävereduktionsreaktionen (NRR) för att producera ammoniak från atmosfäriskt kväve och vatten. Fördelarna med att använda en elektrokemisk metod inkluderar att använda vatten för att tillhandahålla protoner och förmågan att producera ammoniak vid omgivande temperatur och tryck. Denna process skulle potentiellt kräva lägre mängder energi och skulle vara billigare och mer miljövänlig än Haber-Bosch-processen.

NRR fungerar genom att använda en elektrokatalysator. För att denna process ska lyckas måste kväve binda till ytan och bryta isär för att producera ammoniak. I den här studien använde forskarna MXene, en titannitrid, som elektrokatalysator. Det som skiljer denna katalysator från andra är att kväve redan finns i sin struktur, vilket möjliggör en effektivare ammoniakformulering.

"Det är lättare för ammoniak att bildas eftersom protonerna kan fästa vid kvävet i strukturen, bilda ammoniak och sedan kommer ammoniaken att lämna strukturen", säger Johnson. "Ett hål görs i strukturen som kan dra in kvävgasen och separera trippelbindningen."

Forskarna fann att användning av titannitrid inducerar en Mars-van Krevelen-mekanism, en populär mekanism för kolväteoxidation. Denna mekanism följer en lägre energiväg som skulle möjliggöra högre ammoniakproduktionshastigheter och selektivitet på grund av kvävet från titannitridkatalysatorn.

Utan modifieringar av materialen nådde forskarna en selektivitet på 20 %, vilket är förhållandet mellan den önskade produkten som bildas jämfört med den oönskade produkten som bildas. Deras metod skulle potentiellt kunna nå en högre selektivitetsprocent med modifieringar, vilket skapar en ny väg till ammoniakproduktion genom elektrokemiska processer.

"Energidepartementet har satt upp ett mål om en selektivitet på 60%, vilket är en utmanande siffra att nå", säger Johnson. "Vi lyckades nå 20% med vårt material, vilket visar upp en metod som vi kanske kan dra nytta av framåt. Om vi ​​uppgraderar vårt material, kan vi nå 60% snart? Det är frågan vi kommer att fortsätta arbeta för att svara."

Denna forskning kan potentiellt minska koldioxidavtrycket och den globala energianvändningen i större skala.

"I framtiden kan detta bli en stor vetenskaplig reform", sa Djire. "Omkring 2% av världens totala energi används för ammoniakproduktion. Att minska det enorma antalet skulle drastiskt minska vårt koldioxidavtryck och energiförbrukning."

Andra bidragsgivare till publikationen är Eric Kelley från avdelningen för kemiteknik vid Texas A&M, Brock Hunter från Auburn University och Jevaun Christie och Cullan King från Prairie View A&M University. + Utforska vidare

Den nya alkemin inom kolneutralitet:Att förvandla vatten till ammoniak med endast förnybar energi