Georgia Tech-ingenjörer arbetar för att göra gödselmedel mer hållbart – från produktion till produktiv återanvändning av avrinning efter applicering – och ett par nya studier erbjuder lovande vägar i båda ändar av processen.
I en artikel har forskare avslöjat hur kväve, vatten, kol och ljus kan interagera med en katalysator för att producera ammoniak vid omgivande temperatur och tryck, ett mycket mindre energikrävande tillvägagångssätt än nuvarande praxis. Den andra artikeln beskriver en stabil katalysator som kan omvandla avfallsgödselmedel tillbaka till icke-förorenande kväve som en dag skulle kunna användas för att göra nytt gödselmedel.
Betydande arbete återstår med båda processerna, men seniorförfattaren på tidningarna, Marta Hatzell, sa att de är ett steg mot en mer hållbar cykel som fortfarande möter behoven hos en växande världsomspännande befolkning.
"Vi tycker ofta att det skulle vara trevligt att inte behöva använda syntetiska gödselmedel för jordbruket, men det är inte realistiskt på kort sikt med tanke på hur mycket växttillväxt som är beroende av syntetiska gödselmedel och hur mycket mat världens befolkning behöver", säger Hatzell, associate. professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "Tanken är att du kanske en dag skulle kunna tillverka, fånga upp och återvinna gödselmedel på plats."
Kväverik ammoniak är ett viktigt gödningsmedel i den globala livsmedelsproduktionen. Att skapa det kräver dock betydande petroleumbaserad energi, och det kan bara göras på ett hundratal storskaliga anläggningar över hela världen.
Hatzell och hennes Georgia Tech-kollegor har avslöjat den viktiga roll molekyler som kallas kolradikaler spelar för en lågenergistrategi som använder en ljusreaktiv katalysator för att smälta samman kväve och väte till ammoniak. De rapporterade sina fynd i Journal of the American Chemical Society Au (JACS Au ).
Fotokemiska reaktioner är lovande eftersom de kan använda solenergi istället för fossila bränslen och erbjuda ett mer decentraliserat tillvägagångssätt för tillverkning av ammoniak. Vanligtvis kräver den nödvändiga reaktionen temperaturer runt 400° Celsius och 100 gånger normalt atmosfärstryck. Att skapa en process vid omgivande tryck och temperatur – runt 25°C – skulle vara betydligt enklare.
Teamet, som inkluderade forskare från School of Chemical and Biomolecular Engineering och School of Civil and Environmental Engineering, använde spektroskopiverktyg för att visa att ljus interagerar med fotokatalysatorn för att producera högenergikolmolekyler som kallas kolradikaler.
"Vi fann, överraskande nog, att kvävet inte reagerar direkt vid låga temperaturer. Du behöver verkligen närvaron av kolradikal för att underlätta kvävefixeringsprocessen," sa Hatzell.
"Det var verkligen viktigt för oss att försöka identifiera den reaktionsvägen, för utan en klar förståelse för hur kväve och vatten resulterar i bildandet av ammoniak, kan vi verkligen inte konstruera system och designa nya material," fortsatte hon.
"Genom att kartlägga denna reaktionsväg och förstå alla möjliga katalytiska processer som kan ske, kan vi nu bättre konstruera reaktorer och bättre designa material för att påskynda processen."
Teamet använde titandioxid som fotokatalysator i dessa experiment eftersom det är väl studerat och allmänt användbart, men Hatzell sa att andra material kan visa sig vara mer effektiva för att utlösa skapandet av ammoniak i en fotokemisk reaktion. Denna nya förståelse kan hjälpa forskare att börja optimera processen.
Den andra studien från Hatzells labb – publicerad i ACS Energy Letters — arbetar i den motsatta änden av gödselmedlets livscykel. Betydande mängder kväve går till spillo när gödningsmedel appliceras på grödor – kanske så mycket som 80 % går ometaboliserad av växter. Detta nitratavfall förorenar ofta grundvattnet.
Hatzell arbetade med andra Georgia Tech mekaniska ingenjörer och forskare vid två nationella laboratorier för att skapa en palladium-kopparlegering som reducerar dessa nitrater tillbaka till kväve, som kan frigöras ofarligt i luften eller, en dag, användas för att mata processer som den fotokemiska reaktionen i JACS Au studie för att skapa nytt ammoniakgödsel.
"Inte bara är vår katalysator bra, utan den är också stabil under en mycket lång tidsperiod," sa Hatzell. "Många forskare har kommit på katalysatorer som får bra omvandling, men katalysatorerna är inte stabila. Vi har skapat ett högordnat legeringsmaterial som är effektivt, effektivt och dessutom stabilt, vilket betyder att det skulle kunna fungera med dessa avfallsströmmar."
Båda studierna är resultatet av en koncentration av expertis i College of Engineering som arbetar för att göra framsteg inom detta område. De inkluderar bidrag från forskare som A.J. Medford, Seung Woo Lee och Carsten Sievers.
De är också en del av en bredare satsning, Hatzell och andra på Tech hjälper till att leda, som arbetar för att minska kväveföroreningar och istället skapa en cirkulär kväveekonomi genom att fånga upp, återvinna och producera koldioxidfria kvävebaserade gödselmedel.
"Med det 10-åriga centret arbetar vi för att utveckla alla dessa individuella processer och teknologier," sa Hatzell. "Då kommer vi att ta reda på hur vi sätter ihop dem och testar dem vid reningsverk och jordbruksanläggningar."
Mer information: Po-Wei Huang et al, Formation of Carbon-Induced Nitrogen-Centered Radicals on Titanium Dioxide under Illumination, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00556
Jeonghoon Lim et al, Atomically Ordered PdCu Electrocatalysts for Selective and Stabil Electrochemical Nitrat Reduction, ACS Energy Letters (2023). DOI:10.1021/acsenergylett.3c01672
Journalinformation: ACS Energy Letters
Tillhandahålls av Georgia Institute of Technology
