Forskare från Stanford University och Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory förvandlar luft till gödningsmedel utan att lämna ett koldioxidavtryck. Deras upptäckt kan ge en välbehövlig lösning för att hjälpa till att uppfylla globala koldioxidneutrala mål till 2050.

Publicerad i tidskriften Energy &Environmental Science , beskriver studien en hållbar elektrokemisk - snarare än kemisk - process för att producera ammoniak, en nyckelingrediens för kvävegödsel.

I huvudsak använde forskarna neutronspridning för att förstå hur cykling av en elektrisk ström under omvandlingen av kväve till ammoniak, även känd som kvävereduktionsreaktionen, ökar mängden ammoniak som produceras. Denna process har potential att göra det möjligt för jordbrukare att omvandla kväve, det vanligaste grundämnet i vår atmosfär, till ammoniakbaserade gödselmedel utan att släppa ut koldioxid.

"Ammoniak är avgörande för livsmedelsförsörjningen för större delen av världens befolkning", säger Sarah Blair, en tidigare doktorand vid Stanfords Center for Interface Science and Catalysis som nu arbetar vid National Renewable Energy Laboratory i Colorado som postdoktor. "När världens befolkning fortsätter att växa behöver vi hållbara sätt att producera gödningsmedel – särskilt när uppvärmningen intensifieras."

Industrigödselmedel gör det möjligt för jordbrukare att odla mer mat på mindre mark. Ändå står den primära metoden för att skapa industriell ammoniak i mer än ett sekel, Haber-Bosch-processen, för nästan 2 % av alla koldioxidutsläpp på grund av de fossila bränslen den kräver.

Två procent kanske inte låter som mycket, men vi tillför koldioxid till atmosfären snabbare än planeten kan absorbera den, vilket gör att alla ansträngningar räknas för att minska den siffran. Haber-Bosch-processen producerar cirka 500 miljoner ton koldioxid varje år, vilket skulle kräva motsvarande nästan alla federala länder i USA för att absorbera och lagra.

Insikter från studien kan också hjälpa forskare att förstå andra processer för att göra kolneutral ammoniak för andra tillämpningar. Dessa kan inkludera återvinning eller återvinning av gödselmedel innan det kommer in i vattenströmmar och producera ammoniak vid hamnar för tankning av fartyg. Global sjöfart står för ytterligare 3 % av världens koldioxidutsläpp, och förbränning av fossila bränslen står för den största källan till koldioxid från mänsklig aktivitet.

"Du kan inte förbättra designen av något om du inte vet hur det redan fungerar," sa Blair. "Neutroner hjälper vetenskapen att utvecklas genom att sprida ljus på atomnivå på vissa system som är omöjliga att studera på annat sätt."

Blair och Mat Doucet, en senior neutronspridningsforskare vid ORNL, genomförde sina neutronexperiment på instrumentet Liquids Reflectometer vid Spallation Neutron Source. Deras mål var att förstå effekten av att cykla en elektrisk ström på bildandet av fast-elektrolytgränssnittet, eller SEI, i ett kvävereduktionsreaktionssystem som producerar ammoniak med litium som mediator.

Att förstå SEI-bildning är nyckeln inte bara för att låsa upp vetenskapen bakom den elektrokemiska produktionen av ammoniak utan också för att producera bättre batterier. Studien markerar också den första användningen av neutronbaserade tekniker för att observera bildandet av ett SEI-lager under denna speciella elektrokemiska omvandling.

Dessutom framkom en unik ny neutronteknik, tidsupplöst reflektometri, från studien. Den här tekniken gör det möjligt för forskare att dela upp neutrondata i steg om några sekunder och fånga fler detaljer, ungefär som att titta på en film ruta för ruta. Till en början trodde Blair och Doucet att de elektrokemiska förändringarna de observerade skedde gradvis. Men tack vare den nya tekniken upptäckte de förändringar som skedde i mycket mindre tidssteg.

"Processer som verkar vara linjära kanske inte är linjära alls när du tittar på dem närmare," sa Doucet. "Att komma till den strukturen som en funktion av tiden är den svåra delen. Tekniken vi utvecklade för det här experimentet gjorde att vi kunde göra just det."

Upptäckter på SNS lägger grunden till kunskap för tekniska innovationer som förbättrar människors dagliga liv. Tekniken som Blair och Doucet utvecklade öppnar nya möjligheter inom elektrokemi för SNS-användare.

Hanyu Wang, ORNL-instrumentforskare som också arbetar nära med SNS-användare, sa:"Dessa tidsberoende experiment kommer att dra forskare som studerar separationskemi."

ORNL Neutron Reflectometry-gruppledare Jim Browning tillade:"Deras tillvägagångssätt kan svara på många frågor för separationskemi, batterier och en hel skala av olika intresseområden, som energiproduktion, energilagring och bevarande av energi."

Mer information: Sarah J. Blair et al, kombinerad, tidsupplöst, in situ neutronreflektometri och röntgendiffraktionsanalys av dynamisk SEI-bildning under elektrokemisk N₂ reduktion, Energi- och miljövetenskap (2023). DOI:10.1039/D2EE03694K

Journalinformation: Energi- och miljövetenskap

Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory