Bland de många kemikalier vi använder varje dag är ammoniak en av de värsta för atmosfären. Den kvävebaserade kemikalien som används i gödningsmedel, färgämnen, sprängämnen och många andra produkter rankas på andra plats efter cement när det gäller koldioxidutsläpp, på grund av de höga temperaturer och energi som krävs för att tillverka den.
Men genom att förbättra en välkänd elektrokemisk reaktion och orkestrera en "symfoni" av litium-, kväve- och väteatomer har ingenjörer vid University of Illinois Chicago, ledda av Meenesh Singh, utvecklat en ny ammoniakproduktionsprocess som uppfyller flera gröna mål.
Processen, som kallas litiummedierad ammoniaksyntes, kombinerar kvävgas och en vätedonerande vätska som etanol med en laddad litiumelektrod. Istället för att spricka isär kvävgasmolekyler med hög temperatur och högt tryck, fastnar kväveatomer till litiumet och kombineras sedan med väte för att göra ammoniakmolekylen.
Reaktionen fungerar vid låga temperaturer och är också regenerativ, och återställer de ursprungliga materialen med varje cykel av ammoniakproduktion.
"Det finns två slingor som händer. Den ena är regenerering av vätekällan och den andra är regenereringen av litiumet", säger Singh, docent i kemiteknik vid UIC. "Det finns en symfoni i den här reaktionen, på grund av den cykliska processen. Vad vi gjorde var att förstå den här symfonin på ett bättre sätt och försöka modulera den på ett mycket effektivt sätt, så att vi kan skapa en resonans och få den att röra sig snabbare. "
Processen, beskriven i en artikel publicerad och presenterad på omslaget till ACS Applied Materials &Interfaces , är den senaste innovationen från Singhs labb i jakten på renare ammoniak. Tidigare hade hans grupp utvecklat metoder för att syntetisera kemikalien med solljus och avloppsvatten och skapat en elektrifierad kopparnätskärm som minskar mängden energi som behövs för att göra ammoniak.
Deras senaste framsteg bygger på en reaktion som knappast är ny. Forskare har känt till det i nästan ett sekel.
"Det litiumbaserade tillvägagångssättet kan faktiskt hittas i alla läroböcker i organisk kemi. Det är mycket välkänt," sa Singh. "Men att få den här cykeln att köras tillräckligt effektivt och selektivt för att nå ekonomiskt genomförbara mål var vårt bidrag."
Dessa mål inkluderar hög energieffektivitet och låg kostnad. Om den skalas upp skulle processen producera ammoniak till ungefär 450 USD per ton, vilket är 60 % billigare än tidigare litiumbaserade metoder och andra föreslagna gröna metoder, enligt Singh.
Men selektivitet är också viktigt, eftersom många försök att göra ammoniakproduktionen renare har slutat med att skapa stora mängder oönskad vätgas istället.
Singh-gruppens resultat är bland de första som uppnår nivåer av selektivitet och energianvändning som kan uppfylla Department of Energys standarder för industriell produktion av ammoniak. Singh sa också att processen, som kan utföras i en modulär reaktor, kan göras ännu grönare genom att driva den med el från solpaneler eller andra förnybara källor och mata reaktionen med luft och vatten.
Processen kan också hjälpa till att nå ett annat energimål - användningen av väte som bränsle. Att nå det målet har hindrats av svårigheterna att transportera den mycket brännbara vätskan.
"Du vill att väte ska genereras, transporteras och levereras till vätgaspumpstationer, där väte kan matas till bilarna. Men det är väldigt farligt," sa Singh. "Ammoniak skulle kunna fungera som en bärare av väte. Det är väldigt billigt och säkert att transportera, och på destinationen kan du omvandla ammoniak tillbaka till väte."
För närvarande samarbetar forskarna med General Ammonia Co. för att pilotera och skala upp sin litiummedierade ammoniaksyntesprocess vid en anläggning i Chicago-området. UIC:s Office of Technology Management har ansökt om patent på processen.
Mer information: Nishithan C. Kani et al, Pathway toward Scalable Energy-Efficient Li-Mediated Ammonia Synthesis, ACS Applied Materials &Interfaces (2024). DOI:10.1021/acsami.3c19499
Journalinformation: ACS-tillämpade material och gränssnitt
Tillhandahålls av University of Illinois i Chicago
