Forskare under ledning av Satoshi Kamiguchi vid RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) i Japan har upptäckt ett grönare sätt att producera ammoniak, en viktig förening som används i gödningsmedel.
Studien, publicerad i Chemical Science , beskriver en ny katalysator som fungerar stabilt vid relativt låga temperaturer, vilket minskar mängden energi och pengar som behövs för att syntetisera ammoniak. Eftersom ammoniak är ett utmärkt sätt att lagra väte på ett säkert sätt, såväl som ett utmärkt alternativt bränsle i sig, kommer denna upptäckt att göra det lättare att byta från fossila bränslen till en koldioxidneutral och grön energiekonomi.
Gödselmedel är ett sätt att ge extra kväve till växter, vilket hjälper dem att växa och ökar skördarna. Kvävet i gödningsmedel kommer från ammoniak, som framställs genom att bryta isär väte (H2 ) och kväve (N2 ) molekyler och förenar de enskilda elementen till ammoniakgas (NH3 ) genom Haber–Bosch-processen. Reaktionen kräver extremt högt tryck och temperaturer och en järnkatalysator.
Det extremt höga trycket och temperaturerna - cirka 200 atm och 500 ° C (932 ° F) - som behövs för reaktionen kräver en stor mängd energi. Eftersom ammoniak används så flitigt i konstgödsel och andra industrier, förbrukar världsomspännande produktion en enorm mängd energi. För att hjälpa till att minska ammoniakens energifotavtryck har RIKEN CSRS-forskarna utvecklat en mer miljö- och energivänlig reaktion som kan fortgå stabilt vid mycket lägre temperaturer utan att bli avaktiverad.
Det största hindret var att bryta ner kvävgas eftersom det finns en stark trippelbindning mellan de två kväveatomerna i en molekyl av kvävgas. "Knepet var att använda ultrasmå molybdenmetallpartiklar framställda från ett hexanukleärt molekylärt metallhalogenidkluster, som sedan aktiverades med vätgas", säger Kamiguchi.
När de väl har aktiverats arbetar flera molybdenatomer tillsammans för att bryta de starka kväve-kvävebindningarna och driva ammoniaksyntesen snabbt. När den testades kunde denna nya metod skapa ammoniak från kväve och vätgas kontinuerligt i mer än 500 timmar vid 200°C (392°F), vilket kraftigt reducerade den erforderliga temperaturen när man använder den konventionella Haber–Bosch-processen.
Förutom att påverka konstgödselindustrin kan det nya sättet att producera ammoniak indirekt bidra till att minska koldioxidutsläppen om ammoniakbränsle användes över hela världen. Ammoniakbränsle kan brännas direkt i förbränningsmotorer utan att släppa ut någon CO2 , men har inte blivit ett praktiskt alternativ på grund av Haber-Bosch-processen med hög energi.
En av fördelarna med den nya metoden är att den skulle tillåta ammoniakproduktion med lägre energi, vilket skulle minska koldioxidutsläppen kraftigt om ammoniakbränsle används i stor skala.
Samtidigt som ammoniak lagrar kväve för gödningsmedel, lagrar den också väte. Detta gör den till en idealisk bärare för väte, som vissa anser vara den idealiska energikällan. När det lagrade vätet behövs kan det frigöras från ammoniak och användas som bränsle utan att släppa ut koldioxid.
"Att ersätta Haber-Bosch-processen med vår nya metod borde resultera i en världsomspännande energibesparing", säger Kamiguchi. "Om ammoniakbränsle och vätebränsle används i mycket större mängder kommer en kraftig minskning av energin som behövs för att syntetisera ammoniak att leda till lägre CO2 utsläpp och hjälper till att förhindra ytterligare global uppvärmning."
Ett problem kvarstår fortfarande. Vätgasen som behövs för att tillverka ammoniak produceras fortfarande av fossila bränslen, och i nödvändiga stora mängder skulle det också leda till enorma CO2 utsläpp och energiförbrukning. Kamiguchi noterar därför, "När vårt katalysatorsystem kombineras med grönt H2 produktion från förnybar energi, utsläpp av globalt värmande CO2 skulle kunna minskas ännu mer."
För närvarande fokuserar forskargruppen på att lägga till promotorer till den molybdenbaserade katalysatorn som kommer att göra ammoniaksyntesen mer effektiv.
Mer information: Satoshi Kamiguchi et al, Katalytisk ammoniaksyntes på HY-zeolitstödda molybdenkluster i ångströmstorlek, Chemical Science (2024). DOI:10.1039/D3SC05447K
Journalinformation: Kemisk vetenskap
Tillhandahålls av RIKEN
